Schmalbandige Lasertechnologie Teil Zwei
Der weltweit erste Rubinlaser, ein Festkörperlaser, wurde 1960 entwickelt und zeichnete sich durch hohe Ausgangsenergie und einen breiten Wellenlängenbereich aus. Die einzigartige räumliche Struktur des Festkörperlasers ermöglicht eine flexiblere Gestaltung schmalbandiger Ausgänge. Zu den aktuell angewandten Hauptmethoden zählen die Kurzresonatormethode, die Einweg-Ringresonatormethode, die Intraresonator-Standardmethode, die Torsionspendel-Modenresonatormethode, die Volumen-Bragg-Gittermethode und die Seed-Injektionsmethode.
Abbildung 7 zeigt den Aufbau einiger typischer Festkörperlaser im Einzellängsmodus.
Abbildung 7(a) zeigt das Funktionsprinzip der Einzellängsmodenselektion basierend auf dem FP-Standard im Resonator. Das schmale Transmissionsspektrum des Standards wird genutzt, um die Verluste anderer Längsmoden zu erhöhen. Dadurch werden diese aufgrund ihrer geringen Transmission im Modenwettbewerb herausgefiltert, was den Einzellängsmodenbetrieb ermöglicht. Zusätzlich lässt sich durch Steuerung des Winkels und der Temperatur des FP-Standards sowie durch Änderung des Längsmodenintervalls ein bestimmter Wellenlängenbereich einstellen. Abb. 7(b) und (c) zeigen den nichtplanaren Ringoszillator (NPRO) und die Methode des Torsionspendel-Resonators zur Erzeugung eines Einzellängsmodenausgangs. Das Funktionsprinzip besteht darin, den Strahl im Resonator in eine Richtung auszubreiten. Dadurch wird die ungleichmäßige räumliche Verteilung der Anzahl rückwärts gerichteter Teilchen in einem herkömmlichen Stehwellenresonator effektiv eliminiert und der Einfluss des räumlichen Lochbrenneffekts vermieden, wodurch ein Einzellängsmodenausgang erreicht wird. Das Prinzip der Modenselektion mittels Bulk-Bragg-Gitter (VBG) ähnelt dem der zuvor erwähnten Halbleiter- und Faserlaser mit schmaler Linienbreite. Durch die Verwendung eines VBG als Filterelement oszilliert der Oszillator aufgrund seiner guten spektralen und Winkelselektivität bei einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Band, um die Rolle der longitudinalen Modenselektion zu erreichen, wie in Abbildung 7(d) dargestellt.
Gleichzeitig können verschiedene Methoden zur Auswahl des longitudinalen Modus je nach Bedarf kombiniert werden, um die Genauigkeit der Auswahl zu verbessern, die Linienbreite weiter zu verringern oder die Intensität der Modenkonkurrenz durch nichtlineare Frequenztransformation und andere Mittel zu erhöhen und die Ausgangswellenlänge des Lasers bei gleichzeitig schmaler Linienbreite zu erweitern, was schwierig ist fürHalbleiterlaserUndFaserlaser.
(4) Brillouin-Laser
Der Brillouin-Laser basiert auf dem Effekt der stimulierten Brillouin-Streuung (SBS), um eine rauscharme, schmalbandige Ausgangstechnologie zu erzielen. Sein Prinzip beruht auf der Wechselwirkung von Photonen und internen akustischen Feldern, wodurch eine bestimmte Frequenzverschiebung der Stokes-Photonen erzeugt und innerhalb der Verstärkungsbandbreite kontinuierlich verstärkt wird.
Abbildung 8 zeigt das Niveaudiagramm der SBS-Konversion und die Grundstruktur des Brillouin-Lasers.
Aufgrund der niedrigen Schwingungsfrequenz des akustischen Feldes beträgt die Brillouin-Frequenzverschiebung des Materials üblicherweise nur 0,1–2 cm⁻¹. Daher liegt die erzeugte Stokes-Wellenlänge bei Verwendung eines 1064-nm-Lasers als Pumplicht oft nur bei etwa 1064,01 nm. Dies bedeutet jedoch auch eine extrem hohe Quantenkonversionseffizienz (theoretisch bis zu 99,99 %). Da die Brillouin-Verstärkungslinienbreite des Mediums üblicherweise nur im MHz- bis GHz-Bereich liegt (die Brillouin-Verstärkungslinienbreite einiger fester Medien beträgt nur etwa 10 MHz), ist sie weitaus geringer als die Verstärkungslinienbreite des Lasermaterials in der Größenordnung von 100 GHz. Daher kann die im Brillouin-Laser angeregte Stokes-Welle nach mehrfacher Verstärkung im Resonator eine deutliche Spektrumverengung aufweisen, und ihre Ausgangslinienbreite ist um mehrere Größenordnungen schmaler als die Pumplinienbreite. Derzeit ist der Brillouin-Laser zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich der Photonik geworden, und es gibt zahlreiche Berichte über extrem schmale Linienbreiten im Hz- und Sub-Hz-Bereich.
In den letzten Jahren sind Brillouin-Bauelemente mit Wellenleiterstruktur auf dem Gebiet derMikrowellenphotonikDiese Technologien entwickeln sich rasant in Richtung Miniaturisierung, hoher Integration und höherer Auflösung. Darüber hinaus rückte in den letzten zwei Jahren der Weltraum-Brillouin-Laser auf Basis neuer Kristallmaterialien wie Diamant in den Fokus der Öffentlichkeit. Sein innovativer Durchbruch in der Leistungssteigerung der Wellenleiterstruktur und der Überwindung des Engpasses der kaskadierten SBS ermöglichte die Steigerung der Laserleistung auf 10 W und legte damit den Grundstein für eine breitere Anwendung.
Allgemeine Kreuzung
Durch die kontinuierliche Erforschung neuester Erkenntnisse sind Laser mit schmaler Linienbreite aufgrund ihrer hervorragenden Leistung zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der wissenschaftlichen Forschung geworden, wie beispielsweise das Laserinterferometer LIGO zur Detektion von Gravitationswellen, das einen Laser mit schmaler Linienbreite und einer einzigen Frequenz verwendet.LaserMit einer Wellenlänge von 1064 nm als Seed-Lichtquelle und einer Linienbreite des Seed-Lichts von unter 5 kHz bieten schmalbandige Laser mit abstimmbarer Wellenlänge und ohne Modensprung großes Anwendungspotenzial, insbesondere in der kohärenten Kommunikation. Sie erfüllen optimal die Anforderungen von Wellenlängen- (bzw. Frequenz-)Multiplexverfahren (WDM/FDM) hinsichtlich der Wellenlängen- (bzw. Frequenz-)Abstimmbarkeit und werden voraussichtlich zum Kernbaustein der nächsten Generation mobiler Kommunikationstechnologien werden.
Zukünftig werden Innovationen bei Lasermaterialien und Verarbeitungstechnologien die Verkürzung der Laserlinienbreite, die Verbesserung der Frequenzstabilität, die Erweiterung des Wellenlängenbereichs und die Leistungssteigerung weiter vorantreiben und so den Weg für die Erforschung der unbekannten Welt durch den Menschen ebnen.
Veröffentlichungsdatum: 29. November 2023