Schmalbandlasertechnologie Teil Zwei
Der weltweit erste Rubinlaser war 1960 ein Festkörperlaser mit hoher Ausgangsenergie und breiter Wellenlängenabdeckung. Die einzigartige räumliche Struktur des Festkörperlasers ermöglicht flexiblere Gestaltungsmöglichkeiten für schmale Linienbreiten. Zu den derzeit wichtigsten angewandten Methoden gehören die Kurzkavitätsmethode, die Einweg-Ringkavitätsmethode, die Intrakavitätsstandardmethode, die Torsionspendelmodus-Kavitätsmethode, die Volumen-Bragg-Gittermethode und die Seed-Injektion.
Abbildung 7 zeigt die Struktur mehrerer typischer Festkörperlaser mit einem einzigen Longitudinalmodus.
Abbildung 7(a) zeigt das Funktionsprinzip der Single-Longitudinal-Mode-Selektion basierend auf dem FP-Standard im Resonator. Das schmale Transmissionsspektrum des Standards wird genutzt, um die Dämpfung anderer Longitudinalmoden zu erhöhen, sodass diese aufgrund ihrer geringen Transmission im Modenwettbewerb herausgefiltert werden, um einen Single-Longitudinal-Mode-Betrieb zu erreichen. Zusätzlich kann durch Winkel- und Temperaturregelung des FP-Standards sowie durch Veränderung des Longitudinal-Mode-Intervalls ein bestimmter Wellenlängenbereich der Ausgangswelle erreicht werden. Abbildung 7(b) und (c) zeigen den nichtplanaren Ringoszillator (NPRO) und die Torsionspendel-Mode-Resonator-Methode zur Erzeugung einer Single-Longitudinal-Mode-Ausgangswelle. Das Funktionsprinzip besteht darin, den Strahl im Resonator in eine Richtung laufen zu lassen, die ungleichmäßige räumliche Verteilung der umgekehrten Teilchenanzahl im Resonator mit gewöhnlicher stehender Welle effektiv zu eliminieren und so den Einfluss des räumlichen Lochbrenneffekts zu vermeiden, um eine Single-Longitudinal-Mode-Ausgangswelle zu erreichen. Das Prinzip der Modenauswahl mittels Bulk-Bragg-Gitter (VBG) ähnelt dem der zuvor erwähnten Halbleiter- und Faserlaser mit schmaler Linienbreite. Das heißt, durch die Verwendung des VBG als Filterelement schwingt der Oszillator aufgrund seiner guten spektralen Selektivität und Winkelselektivität bei einer bestimmten Wellenlänge oder in einem bestimmten Band, um die Funktion der longitudinalen Modenauswahl zu erreichen, wie in Abbildung 7 (d) dargestellt.
Gleichzeitig können je nach Bedarf mehrere Methoden zur Auswahl des longitudinalen Modus kombiniert werden, um die Genauigkeit der Auswahl des longitudinalen Modus zu verbessern, die Linienbreite weiter zu verengen oder die Intensität des Moduswettbewerbs durch die Einführung einer nichtlinearen Frequenztransformation und anderer Mittel zu erhöhen und die Ausgangswellenlänge des Lasers zu erweitern, während er in einer schmalen Linienbreite arbeitet, was schwierig ist fürHalbleiterlaserUndFaserlaser.
(4) Brillouin-Laser
Der Brillouin-Laser basiert auf dem Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung (SBS), um eine rauscharme Ausgangstechnologie mit schmaler Linienbreite zu erzielen. Sein Prinzip besteht darin, durch die Wechselwirkung zwischen Photonen und dem internen akustischen Feld eine bestimmte Frequenzverschiebung der Stokes-Photonen zu erzeugen und diese innerhalb der Verstärkungsbandbreite kontinuierlich zu verstärken.
Abbildung 8 zeigt das Pegeldiagramm der SBS-Umwandlung und den grundsätzlichen Aufbau des Brillouin-Lasers.
Aufgrund der niedrigen Schwingfrequenz des akustischen Felds beträgt die Brillouin-Frequenzverschiebung des Materials üblicherweise nur 0,1–2 cm-1. Bei einem 1064-nm-Laser als Pumplicht beträgt die erzeugte Stokes-Wellenlänge daher oft nur etwa 1064,01 nm. Dies bedeutet jedoch auch, dass die Quantenkonvertierungseffizienz extrem hoch ist (theoretisch bis zu 99,99 %). Da die Brillouin-Verstärkungslinienbreite des Mediums üblicherweise nur in der Größenordnung von MHz bis GHz liegt (die Brillouin-Verstärkungslinienbreite mancher fester Medien beträgt nur etwa 10 MHz), ist sie weitaus geringer als die Verstärkungslinienbreite des Laserarbeitsmaterials in der Größenordnung von 100 GHz. Daher kann die im Brillouin-Laser angeregte Stokes-Wellenlänge nach mehrfacher Verstärkung im Resonator ein deutliches Phänomen der Spektrumverengung aufweisen, und ihre Ausgangslinienbreite ist um mehrere Größenordnungen schmaler als die Pumplinienbreite. Derzeit ist der Brillouin-Laser ein Forschungsschwerpunkt im Bereich der Photonik und es gibt zahlreiche Berichte über die Ausgabe von Lasern mit extrem schmaler Linienbreite im Hz- und Sub-Hz-Bereich.
In den letzten Jahren sind Brillouin-Bauelemente mit Wellenleiterstruktur auf dem Gebiet derMikrowellenphotonikund entwickeln sich rasant in Richtung Miniaturisierung, hohe Integration und höhere Auflösung. Darüber hinaus ist in den letzten zwei Jahren auch der weltraumtaugliche Brillouin-Laser auf Basis neuer Kristallmaterialien wie Diamant ins Blickfeld der Öffentlichkeit gerückt. Sein innovativer Durchbruch bei der Leistung der Wellenleiterstruktur und dem kaskadierten SBS-Engpass, die Leistung des Brillouin-Lasers auf die Größenordnung von 10 W, legt den Grundstein für eine Ausweitung seiner Anwendung.
Allgemeine Kreuzung
Mit der kontinuierlichen Erforschung des neuesten Wissens sind Laser mit schmaler Linienbreite aufgrund ihrer hervorragenden Leistung zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der wissenschaftlichen Forschung geworden, wie beispielsweise das Laserinterferometer LIGO zur Gravitationswellenerkennung, das eine einfrequente schmale Linienbreite verwendetLasermit einer Wellenlänge von 1064 nm als Seed-Quelle, wobei die Linienbreite des Seed-Lichts innerhalb von 5 kHz liegt. Darüber hinaus weisen schmale Laser mit abstimmbarer Wellenlänge und ohne Modensprung ebenfalls ein großes Anwendungspotenzial auf, insbesondere in der kohärenten Kommunikation, da sie die Anforderungen des Wellenlängenmultiplex (WDM) oder Frequenzmultiplex (FDM) hinsichtlich der Wellenlängen- (oder Frequenz-)Abstimmbarkeit perfekt erfüllen und voraussichtlich zum Kerngerät der nächsten Generation mobiler Kommunikationstechnologie werden.
In Zukunft werden Innovationen bei Lasermaterialien und Verarbeitungstechnologien die Komprimierung der Laserlinienbreite, die Verbesserung der Frequenzstabilität, die Erweiterung des Wellenlängenbereichs und die Leistungssteigerung weiter vorantreiben und so den Weg für die menschliche Erforschung unbekannter Welten ebnen.
Veröffentlichungszeit: 29. November 2023