Smalle lijnbreedte lasertechnologie deel twee
In 1960 was 's werelds eerste robijnlaser een vastestoflaser, gekenmerkt door een hoge output-energie en een bredere golflengtedekking. De unieke ruimtelijke structuur van de vastestoflaser maakt deze flexibeler in het ontwerp van output met een smalle lijnbreedte. De belangrijkste methoden die momenteel worden toegepast, zijn de korte-holtemethode, de eenrichtingsringholtemethode, de intracavitaire standaardmethode, de torsiependelmodusholtemethode, de volume-Bragg-roostermethode en de zaadinjectiemethode.
Figuur 7 toont de structuur van verschillende typische vastestoflasers met enkelvoudige longitudinale modus.
Figuur 7(a) toont het werkingsprincipe van de selectie van één longitudinale modus op basis van de FP-standaard in de holte. Dit betekent dat het transmissiespectrum met smalle lijnbreedte van de standaard wordt gebruikt om het verlies van andere longitudinale modi te vergroten, waardoor andere longitudinale modi worden uitgefilterd in het moduscompetitieproces vanwege hun lage transmissie. Dit resulteert in een enkele longitudinale modus. Bovendien kan een bepaald bereik van golflengte-afstemming worden bereikt door de hoek en temperatuur van de FP-standaard te regelen en het longitudinale modusinterval te wijzigen. Figuur 7(b) en (c) tonen de niet-planaire ringoscillator (NPRO) en de torsiependelmodusholtemethode die wordt gebruikt om een enkele longitudinale modusuitvoer te verkrijgen. Het werkingsprincipe is om de bundel in één richting in de resonator te laten voortplanten, de ongelijkmatige ruimtelijke verdeling van het aantal omgekeerde deeltjes in de normale staande golfholte effectief te elimineren en zo de invloed van het ruimtelijke gatverbrandingseffect te vermijden om een enkele longitudinale modusuitvoer te bereiken. Het principe van de selectie van de bulk-Bragg-roostermodus (VBG) lijkt op dat van de eerder genoemde halfgeleider- en vezellasers met smalle lijnbreedte. Dat wil zeggen dat VBG als filterelement wordt gebruikt en de oscillator op basis van zijn goede spectrale selectiviteit en hoekselectiviteit op een specifieke golflengte of band oscilleert om de rol van longitudinale modusselectie te vervullen, zoals weergegeven in Afbeelding 7(d).
Tegelijkertijd kunnen verschillende longitudinale modusselectiemethoden worden gecombineerd volgens de behoeften om de nauwkeurigheid van de longitudinale modusselectie te verbeteren, de lijnbreedte verder te verkleinen of de intensiteit van de modusconcurrentie te vergroten door niet-lineaire frequentietransformatie en andere middelen te introduceren en de uitvoergolflengte van de laser uit te breiden terwijl deze in een smalle lijnbreedte werkt, wat moeilijk te doen is voorhalfgeleiderlaserEnvezellasers.
(4) Brillouin-laser
De Brillouin-laser is gebaseerd op het gestimuleerde Brillouin-verstrooiingseffect (SBS) om een technologie te verkrijgen met weinig ruis en een smalle lijnbreedte. Het principe is dat door de interactie tussen het foton en het interne akoestische veld een bepaalde frequentieverschuiving van Stokes-fotonen ontstaat, en deze wordt continu versterkt binnen de versterkingsbandbreedte.
Figuur 8 toont het niveaudiagram van de SBS-conversie en de basisstructuur van de Brillouin-laser.
Vanwege de lage trillingsfrequentie van het akoestische veld bedraagt de Brillouin-frequentieverschuiving van het materiaal doorgaans slechts 0,1-2 cm-1. Met een 1064 nm-laser als pomplicht bedraagt de gegenereerde Stokes-golflengte vaak slechts ongeveer 1064,01 nm. Dit betekent echter ook dat de kwantumconversie-efficiëntie extreem hoog is (in theorie tot wel 99,99%). Bovendien is de Brillouin-versterkingslijnbreedte van het medium doorgaans slechts in de orde van MHz-GHz (de Brillouin-versterkingslijnbreedte van sommige vaste media is slechts ongeveer 10 MHz), wat aanzienlijk lager is dan de versterkingslijnbreedte van de laserwerkstof, die in de orde van 100 GHz ligt. De Stokes-geëxciteerde laser in een Brillouin-laser kan na meervoudige versterking in de holte een duidelijk spectrumvernauwingsverschijnsel vertonen, en de uitgangslijnbreedte is enkele ordes van grootte smaller dan de pomplijnbreedte. Tegenwoordig is de Brillouin-laser uitgegroeid tot een hotspot voor onderzoek op het gebied van fotonica. Er zijn veel rapporten verschenen over de Hz- en sub-Hz-orde van extreem smalle lijnbreedte-uitvoer.
De laatste jaren zijn er Brillouin-apparaten met een golfgeleiderstructuur op het gebied vanmicrogolffotonica, en ontwikkelen zich snel in de richting van miniaturisatie, hoge integratie en hogere resolutie. Daarnaast is de in de ruimte draaiende Brillouin-laser, gebaseerd op nieuwe kristalmaterialen zoals diamant, de afgelopen twee jaar ook in het vizier gekomen. De innovatieve doorbraak in het vermogen van de golfgeleiderstructuur en de cascade SBS-bottleneck, het vermogen van de Brillouin-laser tot 10 W, legde de basis voor uitbreiding van de toepassing.
Algemene kruising
Met de voortdurende verkenning van geavanceerde kennis zijn lasers met smalle lijnbreedte een onmisbaar instrument geworden in wetenschappelijk onderzoek met hun uitstekende prestaties, zoals de laserinterferometer LIGO voor de detectie van zwaartekrachtgolven, die gebruikmaakt van een enkelvoudige frequentie met smalle lijnbreedtelasermet een golflengte van 1064 nm als seed-bron, en de lijnbreedte van het seed-licht ligt binnen 5 kHz. Daarnaast hebben lasers met smalle breedte, een instelbare golflengte en geen modussprong, ook een groot toepassingspotentieel, met name in coherente communicatie. Deze lasers kunnen perfect voldoen aan de behoeften van Wavelength Division Multiplexing (WDM) of Frequency Division Multiplexing (FDM) voor golflengte- (of frequentie-)instelbaarheid, en zullen naar verwachting het kernapparaat worden van de volgende generatie mobiele communicatietechnologie.
In de toekomst zullen innovaties op het gebied van lasermaterialen en verwerkingstechnologieën de compressie van de laserlijnbreedte, de verbetering van de frequentiestabiliteit, de uitbreiding van het golflengtebereik en de verbetering van het vermogen verder bevorderen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de menselijke verkenning van de onbekende wereld.
Plaatsingstijd: 29-11-2023