Tecnoloxía láser de ancho de liña estreito, segunda parte
En 1960, o primeiro láser de rubí do mundo foi un láser de estado sólido, caracterizado por unha alta enerxía de saída e unha cobertura de lonxitudes de onda máis ampla. A estrutura espacial única do láser de estado sólido faino máis flexible no deseño de saídas de ancho de liña estreito. Na actualidade, os principais métodos implementados inclúen o método da cavidade curta, o método da cavidade anular unidireccional, o método estándar intracavidade, o método da cavidade do modo de péndulo de torsión, o método da reixa de Bragg de volume e o método de inxección de sementes.
A figura 7 mostra a estrutura de varios láseres de estado sólido de modo lonxitudinal único típicos.
A figura 7(a) mostra o principio de funcionamento da selección dun modo lonxitudinal único baseada no estándar FP na cavidade, é dicir, o espectro de transmisión de ancho de liña estreito do estándar úsase para aumentar a perda doutros modos lonxitudinais, de xeito que outros modos lonxitudinais se filtren no proceso de competición de modos debido á súa pequena transmitancia, para así lograr un funcionamento en modo lonxitudinal único. Ademais, pódese obter un certo rango de saída de axuste de lonxitude de onda controlando o ángulo e a temperatura do estándar FP e cambiando o intervalo do modo lonxitudinal. As figuras 7(b) e (c) mostran o oscilador de anel non planar (NPRO) e o método da cavidade do modo de péndulo torsional utilizados para obter unha saída de modo lonxitudinal único. O principio de funcionamento é facer que o feixe se propague nunha soa dirección no resonador, eliminando eficazmente a distribución espacial desigual do número de partículas invertidas na cavidade de onda estacionaria ordinaria e, polo tanto, evitando a influencia do efecto de queima de buratos espaciais para lograr unha saída de modo lonxitudinal único. O principio da selección de modo da reixa de Bragg en masa (VBG) é similar ao dos láseres de ancho de liña estreito de semicondutores e fibra mencionados anteriormente, é dicir, ao usar VBG como elemento de filtro, baseándose na súa boa selectividade espectral e selectividade angular, o oscilador oscila a unha lonxitude de onda ou banda específica para lograr a función de selección de modo lonxitudinal, como se mostra na Figura 7(d).
Ao mesmo tempo, pódense combinar varios métodos de selección de modo lonxitudinal segundo as necesidades para mellorar a precisión da selección de modo lonxitudinal, estreitar aínda máis o ancho de liña ou aumentar a intensidade da competencia de modos introducindo transformacións de frecuencia non lineais e outros medios, e expandir a lonxitude de onda de saída do láser mentres funciona nun ancho de liña estreito, o que é difícil de facer paraláser semicondutoreláseres de fibra.
(4) Láser Brillouin
O láser Brillouin baséase no efecto de dispersión Brillouin estimulada (SBS) para obter unha tecnoloxía de saída de baixo ruído e ancho de liña estreito. O seu principio consiste en que a interacción entre o fotón e o campo acústico interno produce un certo cambio de frecuencia nos fotóns de Stokes, e amplificase continuamente dentro do ancho de banda de ganancia.
A figura 8 mostra o diagrama de niveis da conversión SBS e a estrutura básica do láser Brillouin.
Debido á baixa frecuencia de vibración do campo acústico, o cambio de frecuencia de Brillouin do material adoita ser de só 0,1-2 cm-1, polo que cun láser de 1064 nm como luz de bombeo, a lonxitude de onda de Stokes xerada adoita ser de só uns 1064,01 nm, pero isto tamén significa que a súa eficiencia de conversión cuántica é extremadamente alta (ata o 99,99 % en teoría). Ademais, debido a que o ancho de liña de ganancia de Brillouin do medio adoita ser só da orde de MHZ-ghz (o ancho de liña de ganancia de Brillouin dalgúns medios sólidos é de só uns 10 MHz), é moito menor que o ancho de liña de ganancia da substancia de traballo do láser da orde de 100 GHz, polo que o Stokes excitado no láser de Brillouin pode mostrar un fenómeno evidente de estreitamento do espectro despois dunha amplificación múltiple na cavidade, e o seu ancho de liña de saída é varias ordes de magnitude máis estreito que o ancho de liña de bombeo. Na actualidade, o láser Brillouin converteuse nun tema candente de investigación no campo da fotónica e houbo moitos informes sobre a orde de Hz e subHz da saída de ancho de liña extremadamente estreito.
Nos últimos anos, xurdiron dispositivos Brillouin con estrutura de guía de ondas no campo dafotónica de microondas, e están a desenvolverse rapidamente na dirección da miniaturización, a alta integración e a maior resolución. Ademais, o láser Brillouin espacial baseado en novos materiais cristalinos como o diamante tamén entrou na visión da xente nos últimos dous anos, o seu avance innovador na potencia da estrutura da guía de ondas e o gargalo en cascada SBS, a potencia do láser Brillouin a unha magnitude de 10 W, sentando as bases para expandir a súa aplicación.
Cruce xeral
Coa continua exploración de coñecementos de vangarda, os láseres de ancho de liña estreito convertéronse nunha ferramenta indispensable na investigación científica co seu excelente rendemento, como o interferómetro láser LIGO para a detección de ondas gravitacionais, que usa un ancho de liña estreito de frecuencia única.lásercunha lonxitude de onda de 1064 nm como fonte de semente, e o ancho de liña da luz de semente está dentro dos 5 kHz. Ademais, os láseres de ancho estreito con lonxitude de onda sintonizable e sen salto de modo tamén mostran un gran potencial de aplicación, especialmente en comunicacións coherentes, que poden satisfacer perfectamente as necesidades da multiplexación por división de lonxitudes de onda (WDM) ou a multiplexación por división de frecuencia (FDM) para a sintonización da lonxitude de onda (ou frecuencia), e espérase que se convertan no dispositivo central da próxima xeración de tecnoloxía de comunicación móbil.
No futuro, a innovación dos materiais láser e a tecnoloxía de procesamento promoverá aínda máis a compresión do ancho de liña do láser, a mellora da estabilidade de frecuencia, a expansión do rango de lonxitudes de onda e a mellora da potencia, abrindo o camiño para a exploración humana do mundo descoñecido.
Data de publicación: 29 de novembro de 2023