Lasertechnologie mit schmaler Linienbreite, Teil Zwei
Im Jahr 1960 war der weltweit erste Rubinlaser ein Festkörperlaser, der sich durch eine hohe Ausgangsenergie und einen größeren Wellenlängenbereich auszeichnete.Die einzigartige räumliche Struktur des Festkörperlasers macht ihn flexibler bei der Gestaltung einer Ausgabe mit schmaler Linienbreite.Zu den derzeit hauptsächlich implementierten Methoden gehören die Kurzkavitätsmethode, die Einweg-Ringkavitätsmethode, die Intracavity-Standardmethode, die Torsionspendelmodus-Hohlraummethode, die Volumen-Bragg-Gitter-Methode und die Sameninjektionsmethode.
Abbildung 7 zeigt die Struktur mehrerer typischer Single-Longitudinal-Mode-Festkörperlaser.
Abbildung 7(a) zeigt das Funktionsprinzip der Auswahl einzelner Longitudinalmoden basierend auf dem In-Cavity-FP-Standard, d werden im Modenkonkurrenzprozess aufgrund ihrer geringen Transmission herausgefiltert, um einen Single-Longitudinalmode-Betrieb zu erreichen.Darüber hinaus kann ein bestimmter Bereich der Wellenlängenabstimmung durch Steuerung des Winkels und der Temperatur des FP-Standards und Änderung des Longitudinalmodenintervalls erreicht werden.FEIGE.7(b) und (c) zeigen den nichtplanaren Ringoszillator (NPRO) und das Torsionspendelmodus-Hohlraumverfahren, die verwendet werden, um einen einzelnen Longitudinalmodus-Ausgang zu erhalten.Das Arbeitsprinzip besteht darin, den Strahl im Resonator in eine einzige Richtung ausbreiten zu lassen, die ungleichmäßige räumliche Verteilung der Anzahl umgekehrter Teilchen im gewöhnlichen Stehwellenhohlraum effektiv zu beseitigen und so den Einfluss des räumlichen Lochbrenneffekts zu vermeiden, um eine zu erreichen Single-Longitudinal-Mode-Ausgang.Das Prinzip der Massen-Bragg-Gitter-Modusauswahl (VBG) ähnelt dem der zuvor erwähnten Halbleiter- und Faserlaser mit schmaler Linienbreite, d. h. durch die Verwendung von VBG als Filterelement, basierend auf seiner guten Spektralselektivität und Winkelselektivität, dem Oszillator oszilliert bei einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Band, um die Rolle der longitudinalen Modenselektion zu übernehmen, wie in Abbildung 7(d) dargestellt.
Gleichzeitig können je nach Bedarf mehrere Methoden zur Auswahl des Längsmodus kombiniert werden, um die Genauigkeit der Auswahl des Längsmodus zu verbessern, die Linienbreite weiter zu verengen oder die Intensität des Moduswettbewerbs durch Einführung einer nichtlinearen Frequenztransformation und anderer Mittel zu erhöhen und die Ausgangswellenlänge von zu erweitern Der Laser arbeitet in einer schmalen Linienbreite, was schwierig zu erreichen istHalbleiterlaserUndFaserlaser.
(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 des Photons und des internen akustischen Feldes eine bestimmte Frequenzverschiebung der Stokes-Photonen zu erzeugen, und wird innerhalb des Lasers kontinuierlich verstärkt Bandbreite gewinnen.
Abbildung 8 zeigt das Pegeldiagramm der SBS-Umwandlung und den Grundaufbau des Brillouin-Lasers.
Aufgrund der niedrigen Schwingungsfrequenz des akustischen Feldes beträgt die Brillouin-Frequenzverschiebung des Materials normalerweise nur 0,1–2 cm-1, so dass mit einem 1064-nm-Laser als Pumplicht die erzeugte Stokes-Wellenlänge oft nur etwa 1064,01 nm beträgt, aber Dies bedeutet auch, dass seine Quantenumwandlungseffizienz extrem hoch ist (theoretisch bis zu 99,99 %).Da die Brillouin-Verstärkungslinienbreite des Mediums normalerweise nur in der Größenordnung von MHz-GHz liegt (die Brillouin-Verstärkungslinienbreite einiger fester Medien beträgt nur etwa 10 MHz), ist sie außerdem weitaus geringer als die Verstärkungslinienbreite der laserbearbeitenden Substanz In der Größenordnung von 100 GHz kann der im Brillouin-Laser angeregte Stokes-Laser nach mehrfacher Verstärkung im Hohlraum ein offensichtliches Phänomen der Spektrumsverengung zeigen, und seine Ausgangslinienbreite ist mehrere Größenordnungen schmaler als die Pumplinienbreite.Gegenwärtig hat sich der Brillouin-Laser zu einem Forschungsschwerpunkt im Bereich der Photonik entwickelt, und es gibt viele Berichte über die Hz- und Sub-Hz-Größenordnung extrem schmaler Linienbreiten.
In den letzten Jahren sind Brillouin-Geräte mit Wellenleiterstruktur auf dem Gebiet entstandenMikrowellenphotonikund entwickeln sich rasant in Richtung Miniaturisierung, hoher Integration und höherer Auflösung.Darüber hinaus ist der weltraumtaugliche Brillouin-Laser, der auf neuen Kristallmaterialien wie Diamant basiert, in den letzten zwei Jahren auch in die Vision der Menschen eingetreten, sein innovativer Durchbruch in der Leistung der Wellenleiterstruktur und der Kaskaden-SBS-Engpass, die Leistung des Brillouin-Lasers auf eine Größenordnung von 10 W und legt damit den Grundstein für die Erweiterung seiner Anwendung.
Allgemeine Kreuzung
Durch die kontinuierliche Erforschung modernster 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 Gravitationswellendetektion, das eine schmale Linienbreite mit einer einzigen Frequenz verwendetLasermit einer Wellenlänge von 1064 nm als Saatquelle, und die Linienbreite des Saatlichts liegt innerhalb von 5 kHz.Darüber hinaus weisen Laser mit schmaler Breite und einstellbarer Wellenlänge und ohne Modensprung auch ein großes Anwendungspotenzial auf, insbesondere in der kohärenten Kommunikation, die die Anforderungen des Wellenlängenmultiplexings (WDM) oder des Frequenzmultiplexings (FDM) für Wellenlänge (oder Frequenz) perfekt erfüllen können ) Abstimmbarkeit und soll zum Kerngerät der nächsten Generation der Mobilkommunikationstechnologie werden.
In Zukunft wird die Innovation von Lasermaterialien und Verarbeitungstechnologie die Komprimierung der Laserlinienbreite, die Verbesserung der Frequenzstabilität, die Erweiterung des Wellenlängenbereichs und die Verbesserung der Leistung weiter vorantreiben und so den Weg für die menschliche Erforschung der unbekannten Welt ebnen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 29. November 2023