Lasertechnologie met smalle lijnbreedte, deel twee
In 1960 was 's werelds eerste robijnlaser een solid-state laser, gekenmerkt door een hoge uitgangsenergie en een breder golflengtebereik. De unieke ruimtelijke structuur van solid-state lasers maakt het ontwerpen van lasers met een smalle lijnbreedte flexibeler. De belangrijkste methoden die momenteel worden toegepast, zijn onder andere de korte-caviteitsmethode, de eenrichtingsringcaviteitsmethode, de intracaviteitsstandaardmethode, de torsiependelmoduscaviteitsmethode, de volume-Bragg-roostermethode en de zaadinjectiemethode.
Figuur 7 toont de structuur van een aantal typische solid-state lasers met één longitudinale modus.
Figuur 7(a) toont het werkingsprincipe van de selectie van een enkele longitudinale modus op basis van de in-cavity FP-standaard. Het smalle transmissiespectrum van de standaard wordt gebruikt om het verlies van andere longitudinale modi te vergroten, waardoor deze modi tijdens het moduscompetitieproces worden gefilterd vanwege hun lage transmissie, wat resulteert in een enkele longitudinale modus. Bovendien kan een bepaald golflengtebereik worden verkregen door de hoek en temperatuur van de FP-standaard te regelen en het interval tussen de longitudinale modi te wijzigen. Figuur 7(b) en (c) tonen de niet-planaire ringoscillator (NPRO) en de torsiependelmoduscaviteitmethode die worden gebruikt om een enkele longitudinale modus te verkrijgen. Het werkingsprincipe is om de bundel in één richting in de resonator te laten propageren, waardoor de ongelijke ruimtelijke verdeling van het aantal omgekeerde deeltjes in de gewone staande golfcaviteit effectief wordt geëlimineerd en zo de invloed van het ruimtelijke gatverbrandingseffect wordt vermeden om een enkele longitudinale modus te verkrijgen. Het principe van modusselectie met behulp van een bulk-Bragg-rooster (VBG) is vergelijkbaar met dat van de eerder genoemde halfgeleider- en vezellasers met smalle lijnbreedte. Door een VBG als filterelement te gebruiken, zorgt de goede spectrale selectiviteit en hoekselectiviteit ervoor dat de oscillator op een specifieke golflengte of band oscilleert om de rol van longitudinale modusselectie te vervullen, zoals weergegeven in figuur 7(d).
Tegelijkertijd kunnen verschillende methoden voor longitudinale modusselectie worden gecombineerd, afhankelijk van de behoeften, om de nauwkeurigheid van de longitudinale modusselectie te verbeteren, de lijnbreedte verder te verkleinen of de intensiteit van de moduscompetitie te verhogen door niet-lineaire frequentietransformatie en andere middelen te introduceren, en de uitgangsgolflengte van de laser te vergroten terwijl deze binnen een smalle lijnbreedte werkt, wat moeilijk te realiseren is voorhalfgeleiderlaserEnvezellasers.
(4) Brillouin-laser
De Brillouin-laser is gebaseerd op het gestimuleerde Brillouin-verstrooiingseffect (SBS) om een ruisarme output met een smalle lijnbreedte te verkrijgen. Het principe is dat door de interactie tussen fotonen en het interne akoestische veld een bepaalde frequentieverschuiving van Stokes-fotonen wordt geproduceerd, die vervolgens continu wordt versterkt binnen de versterkingsbandbreedte.
Figuur 8 toont het niveaudiagram van de SBS-conversie en de basisstructuur van de Brillouin-laser.
Door de lage trillingsfrequentie van het akoestische veld is de Brillouin-frequentieverschuiving van het materiaal doorgaans slechts 0,1-2 cm⁻¹, waardoor de gegenereerde Stokes-golflengte bij gebruik van een 1064 nm laser als pomplicht vaak slechts ongeveer 1064,01 nm bedraagt. Dit betekent echter ook dat de kwantumconversie-efficiëntie extreem hoog is (theoretisch tot 99,99%). Bovendien is de Brillouin-versterkingslijnbreedte van het medium meestal slechts in de orde van MHz-GHz (de Brillouin-versterkingslijnbreedte van sommige vaste stoffen is slechts ongeveer 10 MHz), wat veel kleiner is dan de versterkingslijnbreedte van de laserwerkingsstof in de orde van 100 GHz. Hierdoor kan de in een Brillouin-laser opgewekte Stokes-golf na meervoudige versterking in de caviteit een duidelijk spectrumversmallingsfenomeen vertonen, waarbij de uitgangslijnbreedte enkele ordes van grootte smaller is dan de pomplijnbreedte. De Brillouin-laser is momenteel een belangrijk onderzoeksonderwerp binnen de fotonica, en er zijn al veel rapporten verschenen over output met een extreem smalle lijnbreedte in de Hz- en sub-Hz-orde.
De laatste jaren zijn Brillouin-apparaten met een golfgeleiderstructuur op het gebied van dit vakgebied verschenen.microgolffotonicaEn ze ontwikkelen zich snel in de richting van miniaturisatie, hoge integratie en hogere resolutie. Daarnaast is de ruimtevaart-Brillouinlaser op basis van nieuwe kristalmaterialen zoals diamant de afgelopen twee jaar ook in beeld gekomen. De innovatieve doorbraak in de vermogensopbouw van de golfgeleiderstructuur en het oplossen van het knelpunt van cascade-SBS heeft het vermogen van de Brillouinlaser tot wel 10 watt gebracht, waarmee de basis is gelegd voor een bredere toepassing.
Algemeen knooppunt
Door de voortdurende verkenning van baanbrekende kennis zijn lasers met een smalle lijnbreedte een onmisbaar instrument geworden in wetenschappelijk onderzoek vanwege hun uitstekende prestaties, zoals de laserinterferometer LIGO voor de detectie van zwaartekrachtgolven, die gebruikmaakt van een laser met een smalle lijnbreedte en één frequentie.lasermet een golflengte van 1064 nm als zaadbron, en de lijnbreedte van het zaadlicht ligt binnen 5 kHz. Daarnaast tonen smalbandlasers met een instelbare golflengte en zonder modussprong een groot toepassingspotentieel, met name in coherente communicatie. Ze kunnen perfect voldoen aan de eisen van golflengte- of frequentie-multiplexing (WDM) voor instelbare golflengte (of frequentie) en zullen naar verwachting de kerncomponenten vormen van de volgende generatie mobiele communicatietechnologie.
In de toekomst zullen innovaties op het gebied van lasermaterialen en verwerkingstechnologie de verkleining 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.
Geplaatst op: 29 november 2023