Технология узкой линии лазера. Часть вторая
В 1960 году первый в мире рубиновый лазер был твердотельным, характеризующимся высокой выходной энергией и широким диапазоном длин волн. Уникальная пространственная структура твердотельного лазера обеспечивает большую гибкость при проектировании узкополосных лазеров. В настоящее время используются следующие основные методы: метод короткого резонатора, метод одностороннего кольцевого резонатора, метод внутрирезонаторного стандарта, метод резонатора с крутильными маятниковыми модами, метод объемной брэгговской решетки и метод инжекции затравок.
На рисунке 7 показана структура нескольких типичных твердотельных лазеров с одной продольной модой.
На рисунке 7(a) показан принцип работы селекции одной продольной моды на основе внутрирезонаторного стандарта FP. Узкий спектр пропускания стандарта используется для увеличения потерь других продольных мод, что приводит к их отфильтровыванию в процессе конкуренции мод из-за их малого коэффициента пропускания, что позволяет достичь работы с одной продольной модой. Кроме того, определённый диапазон перестройки длины волны может быть получен путём управления углом и температурой стандарта FP и изменения интервала продольных мод. На рисунках 7(b) и (c) показаны неплоский кольцевой генератор (NPRO) и метод резонатора крутильных маятниковых мод, используемый для получения выходной единственной продольной моды. Принцип работы заключается в том, чтобы заставить пучок распространяться в резонаторе в одном направлении, эффективно устраняя неравномерное пространственное распределение числа обращённых частиц в обычном резонаторе стоячей волны и, таким образом, избегая влияния эффекта выжигания пространственной дыры для достижения выходной единственной продольной моды. Принцип селекции мод объемной решетки Брэгга (VBG) аналогичен принципу полупроводниковых и волоконных узкополосных лазеров, упомянутых ранее, то есть, используя VBG в качестве фильтрующего элемента, основываясь на его хорошей спектральной селективности и угловой селективности, генератор генерирует генерацию на определенной длине волны или в определенной полосе для достижения роли селекции продольной моды, как показано на рисунке 7(d).
В то же время несколько методов выбора продольной моды могут быть объединены в соответствии с потребностями для повышения точности выбора продольной моды, дальнейшего сужения ширины линии или увеличения интенсивности конкуренции мод путем введения нелинейного преобразования частоты и других средств, а также расширения выходной длины волны лазера при работе в узкой ширине линии, что трудно сделать дляполупроводниковый лазериволоконные лазеры.
(4) Бриллюэновский лазер
Лазер Бриллюэна основан на эффекте вынужденного рассеяния Бриллюэна (ВРМБ) для получения малошумящей, узкой выходной линии. Его принцип заключается в том, что посредством взаимодействия фотона и внутреннего акустического поля создается определенный сдвиг частоты стоксовых фотонов, и он непрерывно усиливается в пределах полосы усиления.
На рисунке 8 показана диаграмма уровней ВРМБ-преобразования и базовая структура бриллюэновского лазера.
Из-за низкой частоты колебаний акустического поля сдвиг частоты Бриллюэна материала обычно составляет всего 0,1-2 см-1, поэтому при использовании лазера с длиной волны накачки 1064 нм генерируемая длина волны Стокса часто составляет всего около 1064,01 нм, но это также означает, что ее квантовая эффективность преобразования чрезвычайно высока (до 99,99% в теории). Кроме того, поскольку ширина линии усиления Бриллюэна среды обычно составляет всего лишь порядка МГц-ггц (ширина линии усиления Бриллюэна некоторых твердых сред составляет всего около 10 МГц), она намного меньше ширины линии усиления рабочего вещества лазера порядка 100 ГГц, поэтому, Стоксов, возбуждаемый в лазере Бриллюэна, может демонстрировать очевидное явление сужения спектра после многократного усиления в резонаторе, а ширина его выходной линии на несколько порядков уже ширины линии накачки. В настоящее время лазер Бриллюэна стал горячей точкой исследований в области фотоники, и появилось много сообщений о чрезвычайно узкой ширине выходной линии порядка Гц и суб-Гц.
В последние годы в области оптики появились приборы Бриллюэна с волноводной структурой.микроволновая фотоникаи стремительно развиваются в направлении миниатюризации, высокой интеграции и более высокого разрешения. Кроме того, в последние два года внимание общественности привлек космический лазер Бриллюэна на основе новых кристаллических материалов, таких как алмаз. Его инновационный прорыв в области мощности волноводной структуры и узкого места каскадного SBS позволил увеличить мощность лазера Бриллюэна до 10 Вт, что заложило основу для расширения его применения.
Генеральный перекресток
Благодаря непрерывному исследованию передовых знаний, узкополосные лазеры стали незаменимым инструментом в научных исследованиях благодаря своим превосходным характеристикам, например, лазерный интерферометр LIGO для обнаружения гравитационных волн, который использует одночастотный узкополосный лазерлазерс длиной волны 1064 нм в качестве источника затравочного излучения, ширина линии затравочного света составляет менее 5 кГц. Кроме того, узкополосные лазеры с перестраиваемой длиной волны и без скачка мод также демонстрируют большой потенциал применения, особенно в когерентной связи, что идеально подходит для задач спектрального (WDM) или частотного (FDM) мультиплексирования с перестройкой длины волны (или частоты) и, как ожидается, станет основным устройством следующего поколения технологий мобильной связи.
В будущем инновации в области лазерных материалов и технологий обработки будут и дальше способствовать сжатию ширины линии лазера, улучшению стабильности частоты, расширению диапазона длин волн и повышению мощности, прокладывая путь для исследования человеком неизведанного мира.
Время публикации: 29 ноября 2023 г.