Tecnologia laser a linea stretta - Parte due
Nel 1960, il primo laser a rubino al mondo fu un laser a stato solido, caratterizzato da un'elevata energia di uscita e da una più ampia copertura di lunghezze d'onda. La particolare struttura spaziale del laser a stato solido lo rende più flessibile nella progettazione di linee di uscita a larghezza di riga ridotta. Attualmente, i principali metodi implementati includono il metodo della cavità corta, il metodo della cavità ad anello unidirezionale, il metodo standard intracavità, il metodo della cavità a modo di pendolo di torsione, il metodo del reticolo di Bragg volumetrico e il metodo dell'iniezione di seed.
La figura 7 mostra la struttura di alcuni tipici laser a stato solido a modalità longitudinale singola.
La Figura 7(a) mostra il principio di funzionamento della selezione di un singolo modo longitudinale basata sullo standard FP in cavità, ovvero lo spettro di trasmissione a larghezza di linea stretta dello standard viene utilizzato per aumentare la perdita di altri modi longitudinali, in modo che questi vengano filtrati nel processo di competizione modale a causa della loro bassa trasmittanza, in modo da ottenere un funzionamento a singolo modo longitudinale. Inoltre, è possibile ottenere un certo intervallo di uscita di sintonizzazione della lunghezza d'onda controllando l'angolo e la temperatura dello standard FP e modificando l'intervallo di modo longitudinale. Le Figure 7(b) e (c) mostrano l'oscillatore ad anello non planare (NPRO) e il metodo della cavità modale a pendolo torsionale utilizzati per ottenere un'uscita a singolo modo longitudinale. Il principio di funzionamento consiste nel far propagare il fascio in una sola 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 combustione spaziale delle lacune per ottenere un'uscita a singolo modo longitudinale. Il principio di selezione della modalità del reticolo di Bragg bulk (VBG) è simile a quello dei laser a fibra e a semiconduttore a larghezza di linea stretta menzionati in precedenza, ovvero, utilizzando il VBG come elemento filtrante, in base alla sua buona selettività spettrale e selettività angolare, l'oscillatore oscilla a una lunghezza d'onda o banda specifica per ottenere la selezione della modalità 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 linea o aumentare l'intensità della competizione della modalità introducendo una trasformazione di frequenza non lineare e altri mezzi ed espandere la lunghezza d'onda di uscita del laser durante il funzionamento in una larghezza di linea 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 bassa rumorosità e larghezza di linea stretta; il suo principio è quello di produrre, attraverso l'interazione tra i fotoni e il campo acustico interno, un certo spostamento di frequenza dei fotoni di Stokes, che viene amplificato continuamente all'interno della larghezza di banda del guadagno.
La figura 8 mostra il diagramma di livello 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 circa, ma ciò significa anche che la sua efficienza di conversione quantistica è estremamente elevata (fino al 99,99% in teoria). Inoltre, poiché la larghezza di linea del guadagno di Brillouin del mezzo è solitamente solo dell'ordine dei MHz-GHz (la larghezza di linea del guadagno di Brillouin di alcuni mezzi solidi è di soli 10 MHz circa), è di gran lunga inferiore alla larghezza di linea del guadagno della sostanza di lavoro del laser, dell'ordine di 100 GHz. Pertanto, l'eccitazione di Stokes nel laser di Brillouin può mostrare un evidente fenomeno di restringimento dello spettro dopo amplificazioni multiple nella cavità e la sua larghezza di linea di uscita è di diversi ordini di grandezza inferiore alla larghezza della linea di pompaggio. Attualmente, il laser di Brillouin è diventato un centro di ricerca di punta nel campo della fotonica e sono stati pubblicati numerosi resoconti sull'ordine di Hz e sub-Hz di larghezza di linea di uscita estremamente stretta.
Negli ultimi anni, i dispositivi Brillouin con struttura a guida d'onda sono emersi nel campo dellafotonica a microondee si stanno sviluppando rapidamente verso la miniaturizzazione, l'elevata integrazione e la maggiore risoluzione. Inoltre, negli ultimi due anni, il laser Brillouin spaziale, basato su nuovi materiali cristallini come il diamante, è entrato nell'immaginario collettivo. La sua innovativa innovazione nella potenza della struttura a guida d'onda e nel collo di bottiglia SBS a cascata, con una potenza del laser Brillouin fino a 10 W, ha gettato le basi per l'espansione delle sue applicazioni.
Giunzione generale
Con la continua esplorazione di conoscenze all'avanguardia, i laser a larghezza di linea stretta sono diventati uno strumento indispensabile nella ricerca scientifica con le loro eccellenti prestazioni, come l'interferometro laser LIGO per la rilevazione delle onde gravitazionali, che utilizza una larghezza di linea stretta a frequenza singolalasercon una lunghezza d'onda di 1064 nm come sorgente seed e una larghezza di linea della luce seed entro 5 kHz. Inoltre, i laser a larghezza stretta con lunghezza d'onda sintonizzabile e senza salto di modo mostrano anch'essi un grande potenziale applicativo, soprattutto nelle comunicazioni coerenti, che possono soddisfare perfettamente le esigenze del multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM) o del multiplexing a divisione di frequenza (FDM) per la sintonizzabilità di lunghezza d'onda (o frequenza), e si prevede che diventeranno il dispositivo principale della prossima generazione di tecnologie di comunicazione mobile.
In futuro, l'innovazione dei materiali laser e della tecnologia di lavorazione promuoverà ulteriormente la compressione della larghezza di linea 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