Tecnologia laser a larghezza di linea ridotta - Parte seconda
Nel 1960, il primo laser a rubino al mondo era un laser a stato solido, caratterizzato da un'elevata energia di uscita e da una più ampia copertura di lunghezze d'onda. L'esclusiva struttura spaziale del laser a stato solido lo rende più flessibile nella progettazione di uscite a larghezza di riga stretta. Attualmente, i principali metodi implementati includono il metodo a cavità corta, il metodo a cavità ad anello unidirezionale, il metodo standard intracavità, il metodo a cavità a pendolo di torsione, il metodo a reticolo di Bragg volumetrico e il metodo a iniezione di seme.
La Figura 7 mostra la struttura di alcuni tipici laser a stato solido a singolo modo longitudinale.
La Figura 7(a) mostra il principio di funzionamento della selezione del singolo modo longitudinale basata sullo standard FP in cavità, ovvero, lo spettro di trasmissione a larghezza di riga stretta dello standard viene utilizzato per aumentare la perdita degli altri modi longitudinali, in modo che questi vengano filtrati nel processo di competizione tra modi a causa della loro bassa trasmittanza, così da ottenere un funzionamento a singolo modo longitudinale. Inoltre, è possibile ottenere un certo intervallo di sintonizzazione della lunghezza d'onda in uscita controllando l'angolo e la temperatura dello standard FP e modificando l'intervallo del modo longitudinale. Le Figure 7(b) e (c) mostrano l'oscillatore ad anello non planare (NPRO) e il metodo della cavità a modo di pendolo torsionale utilizzati per ottenere un'uscita a singolo modo longitudinale. Il principio di funzionamento consiste nel far propagare il fascio in un'unica direzione nel risonatore, eliminando efficacemente la distribuzione spaziale non uniforme del numero di particelle invertite nella cavità a onda stazionaria ordinaria, ed evitando così l'influenza dell'effetto di bruciatura del foro spaziale per ottenere un'uscita a singolo modo longitudinale. Il principio di selezione del modo del reticolo di Bragg di massa (VBG) è simile a quello dei laser a semiconduttore e a fibra a larghezza di riga stretta menzionati in precedenza, ovvero, utilizzando il VBG come elemento di filtro, in base alla sua buona selettività spettrale e angolare, l'oscillatore oscilla a una specifica lunghezza d'onda o banda per realizzare la selezione del modo longitudinale, come mostrato nella Figura 7(d).
Allo stesso tempo, diversi metodi di selezione della modalità longitudinale possono essere combinati in base alle esigenze per migliorare la precisione della selezione della modalità longitudinale, restringere ulteriormente la larghezza di riga o aumentare l'intensità della competizione di modalità introducendo la trasformazione di frequenza non lineare e altri mezzi, ed espandere la lunghezza d'onda di uscita del laser operando in una larghezza di riga stretta, cosa difficile da fare perlaser a semiconduttoreElaser a fibra.
(4) Laser Brillouin
Il laser Brillouin si basa sull'effetto di diffusione Brillouin stimolata (SBS) per ottenere una tecnologia di uscita a basso rumore e a larghezza di riga stretta; il suo principio consiste nel produrre, attraverso l'interazione tra il fotone e il campo acustico interno, uno spostamento di frequenza dei fotoni Stokes, che viene amplificato in modo continuo all'interno della larghezza di banda di guadagno.
La Figura 8 mostra il diagramma dei livelli della conversione SBS e la struttura di base del laser Brillouin.
A causa della bassa frequenza di vibrazione del campo acustico, lo spostamento di frequenza di Brillouin del materiale è solitamente di soli 0,1-2 cm⁻¹, quindi con un laser a 1064 nm come luce di pompaggio, la lunghezza d'onda di Stokes generata è spesso di soli 1064,01 nm, ma ciò significa anche che la sua efficienza di conversione quantica è estremamente elevata (fino al 99,99% in teoria). Inoltre, poiché la larghezza di riga del guadagno di Brillouin del mezzo è solitamente solo dell'ordine di MHz-GHz (la larghezza di riga del guadagno di Brillouin di alcuni mezzi solidi è di soli 10 MHz), è di gran lunga inferiore alla larghezza di riga del guadagno della sostanza attiva del laser dell'ordine di 100 GHz, quindi, lo Stokes eccitato nel laser di Brillouin può mostrare un evidente fenomeno di restringimento dello spettro dopo l'amplificazione multipla nella cavità, e la sua larghezza di riga di uscita è di diversi ordini di grandezza inferiore alla larghezza di riga di pompaggio. Attualmente, il laser Brillouin è diventato un punto focale della ricerca nel campo della fotonica, e sono stati pubblicati numerosi studi sull'emissione di linee di emissione estremamente strette, dell'ordine degli Hz e dei sub-Hz.
Negli ultimi anni, i dispositivi Brillouin con struttura a guida d'onda sono emersi nel campo difotonica a microondee si stanno sviluppando rapidamente nella direzione della miniaturizzazione, dell'elevata integrazione e della maggiore risoluzione. Inoltre, negli ultimi due anni è entrato nell'attenzione anche il laser Brillouin spaziale basato su nuovi materiali cristallini come il diamante, grazie alla sua innovativa svolta nella potenza della struttura a guida d'onda e nel collo di bottiglia SBS a cascata, che ha portato la potenza del laser Brillouin a 10 W, ponendo le basi per l'espansione delle sue applicazioni.
incrocio generale
Con la continua esplorazione di conoscenze all'avanguardia, i laser a larghezza di riga stretta sono diventati uno strumento indispensabile nella ricerca scientifica grazie alle loro eccellenti prestazioni, come l'interferometro laser LIGO per il rilevamento delle onde gravitazionali, che utilizza una singola frequenza a larghezza di riga strettalasercon una lunghezza d'onda di 1064 nm come sorgente di seed e la larghezza di riga della luce di seed è entro 5 kHz. Inoltre, i laser a larghezza ridotta con lunghezza d'onda sintonizzabile e senza salti di modo mostrano anche un grande potenziale applicativo, specialmente nelle comunicazioni coerenti, che possono soddisfare perfettamente le esigenze di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM) o multiplexing a divisione di frequenza (FDM) per la sintonizzabilità della lunghezza d'onda (o della frequenza), e si prevede che diventeranno il dispositivo centrale della prossima generazione di tecnologia di comunicazione mobile.
In futuro, l'innovazione nei materiali laser e nelle tecnologie di elaborazione promuoverà ulteriormente la compressione della larghezza di riga del laser, il miglioramento della stabilità di frequenza, l'espansione della gamma di lunghezze d'onda e l'aumento della potenza, aprendo la strada all'esplorazione umana del mondo sconosciuto.
Data di pubblicazione: 29 novembre 2023