Технология лазеров с узкой шириной линии излучения. Часть вторая.
В 1960 году был создан первый в мире рубиновый лазер, твердотельный лазер, характеризующийся высокой выходной энергией и более широким диапазоном длин волн. Уникальная пространственная структура твердотельного лазера обеспечивает большую гибкость при проектировании лазеров с узкой шириной линии излучения. В настоящее время основные применяемые методы включают метод короткого резонатора, метод одностороннего кольцевого резонатора, метод внутрирезонаторного стандарта, метод резонатора с крутильным маятником, метод объемной брэгговской решетки и метод инжекции затравки.
На рисунке 7 показана структура нескольких типичных твердотельных лазеров с одной продольной модой.
На рисунке 7(а) показан принцип работы выбора одной продольной моды на основе внутрирезонаторного стандарта Фабри-Перо, то есть используется узкий спектр пропускания стандарта для увеличения потерь других продольных мод, так что другие продольные моды отфильтровываются в процессе конкуренции мод из-за их малого пропускания, что позволяет достичь работы в одном продольном режиме. Кроме того, определенный диапазон настройки длины волны выходного сигнала может быть получен путем управления углом и температурой стандарта Фабри-Перо и изменения интервала продольных мод. На рисунках 7(б) и (в) показаны непланарный кольцевой генератор (NPRO) и метод резонатора с крутильным маятником, используемые для получения выходного сигнала в одном продольном режиме. Принцип работы заключается в том, чтобы заставить луч распространяться в одном направлении в резонаторе, эффективно устраняя неравномерное пространственное распределение количества обращенных частиц в обычном стоячем волноводе и, таким образом, избегая влияния эффекта пространственного выжигания, что позволяет получить выходной сигнал в одном продольном режиме. Принцип выбора моды с помощью объемной брэгговской решетки (VBG) аналогичен принципу, используемому в упомянутых ранее полупроводниковых и волоконных лазерах с узкой шириной линии излучения, а именно: используя VBG в качестве фильтрующего элемента, благодаря ее хорошей спектральной и угловой селективности, генератор генерирует излучение на определенной длине волны или в определенном диапазоне, обеспечивая тем самым выбор продольной моды, как показано на рисунке 7(d).
В то же время, в зависимости от потребностей, можно комбинировать несколько методов выбора продольной моды для повышения точности выбора продольной моды, дальнейшего сужения ширины линии или увеличения интенсивности конкуренции мод путем введения нелинейного частотного преобразования и других средств, а также расширения выходной длины волны лазера при работе в узкой ширине линии, что трудно осуществить для других случаев.полупроводниковый лазериволоконные лазеры.
(4) лазер Бриллюэна
Бриллюэновский лазер основан на эффекте стимулированного бриллюэновского рассеяния (СБР), позволяющем получить малошумную технологию с узкой шириной линии излучения. Его принцип заключается во взаимодействии фотонов с внутренним акустическим полем, что приводит к определенному сдвигу частоты стоксовых фотонов и их непрерывному усилению в пределах полосы пропускания усиления.
На рисунке 8 показана диаграмма уровней преобразования СБС и базовая структура бриллюэновского лазера.
Из-за низкой частоты колебаний акустического поля бриллюэновский сдвиг частоты материала обычно составляет всего 0,1-2 см-1, поэтому при использовании лазера с длиной волны 1064 нм в качестве накачки длина волны Стокса часто составляет всего около 1064,01 нм, но это также означает, что его эффективность квантового преобразования чрезвычайно высока (теоретически до 99,99%). Кроме того, поскольку ширина линии усиления бриллюэновского рассеяния среды обычно составляет всего порядка МГц-ГГц (ширина линии усиления бриллюэновского рассеяния некоторых твердых сред составляет всего около 10 МГц), она намного меньше ширины линии усиления лазерного рабочего вещества, которая составляет порядка 100 ГГц, поэтому стоксовский рассеяние, возбуждаемое в бриллюэновском лазере, может демонстрировать явное явление сужения спектра после многократного усиления в резонаторе, и ширина его выходной линии на несколько порядков уже, чем ширина линии накачки. В настоящее время лазеры Бриллюэна стали одним из наиболее актуальных направлений исследований в области фотоники, и появилось множество сообщений о получении излучения с чрезвычайно узкой шириной линии в диапазоне герц и ниже герц.
В последние годы в области бриллюэнов появились устройства с волноводной структурой.микроволновая фотоникаи быстро развиваются в направлении миниатюризации, высокой интеграции и более высокого разрешения. Кроме того, за последние два года внимание общественности привлекли космические бриллюэновские лазеры на основе новых кристаллических материалов, таких как алмаз. Их инновационный прорыв в области мощности волноводной структуры и каскадного эффекта СБС позволил достичь мощности бриллюэновского лазера в 10 Вт, заложив основу для расширения его применения.
Главный перекресток
Благодаря постоянному освоению передовых технологий, лазеры с узкой шириной линии излучения стали незаменимым инструментом в научных исследованиях благодаря своим превосходным характеристикам, например, лазерный интерферометр LIGO для обнаружения гравитационных волн, использующий одночастотный лазер с узкой шириной линии излучения.лазерс длиной волны 1064 нм в качестве источника затравки, при этом ширина линии затравки находится в пределах 5 кГц. Кроме того, узкополосные лазеры с перестраиваемой длиной волны и без скачков моды также демонстрируют большой потенциал применения, особенно в когерентной связи, что идеально удовлетворяет потребности мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) или мультиплексирования с разделением по частоте (FDM) в перестраиваемости длины волны (или частоты), и, как ожидается, станет ключевым устройством следующего поколения технологий мобильной связи.
В будущем инновации в области лазерных материалов и технологий обработки будут способствовать дальнейшему уменьшению ширины лазерной линии, повышению стабильности частоты, расширению диапазона длин волн и увеличению мощности, открывая путь для исследования человеком неизведанного мира.
Дата публикации: 29 ноября 2023 г.