Tecnología láser de línea estrecha, segunda parte
En 1960, el primer láser de rubí del mundo fue un láser de estado sólido, caracterizado por una alta energía de salida y una mayor cobertura de longitud de onda. La singular estructura espacial del láser de estado sólido le confiere mayor flexibilidad en el diseño de salidas de línea espectral estrecha. Actualmente, los principales métodos empleados incluyen el método de cavidad corta, el método de cavidad de anillo unidireccional, el método estándar intracavidad, el método de cavidad de modo de péndulo de torsión, el método de rejilla de Bragg volumétrica y el método de inyección de semilla.
La figura 7 muestra la estructura de varios láseres de estado sólido típicos de modo longitudinal único.
La figura 7(a) muestra el principio de funcionamiento de la selección de modo longitudinal único basada en el patrón FP dentro de la cavidad. El espectro de transmisión de ancho de línea estrecho del patrón se utiliza para aumentar la pérdida de otros modos longitudinales, de modo que estos se filtren durante la competencia modal debido a su baja transmitancia, logrando así la operación en modo longitudinal único. Además, se puede obtener un rango de sintonización de longitud de onda controlando el ángulo y la temperatura del patrón FP y modificando el intervalo entre modos longitudinales. Las figuras 7(b) y (c) muestran el oscilador de anillo no planar (NPRO) y el método de cavidad de modo de péndulo torsional utilizados para obtener una salida de modo longitudinal único. El principio de funcionamiento consiste en hacer que el haz se propague en una sola dirección dentro del resonador, eliminando eficazmente la distribución espacial irregular del número de partículas invertidas en la cavidad de onda estacionaria convencional y, por lo tanto, evitando la influencia del efecto de quemado espacial para lograr una salida de modo longitudinal único. El principio de selección de modo de la rejilla de Bragg de volumen (VBG) es similar al de los láseres de línea estrecha de semiconductores y fibra mencionados anteriormente, es decir, utilizando la VBG como elemento de filtro, basándose en su buena selectividad espectral y selectividad angular, el oscilador oscila a una longitud de onda o banda específica para lograr la función de selección de modo longitudinal, como se muestra en la Figura 7(d).
Al mismo tiempo, se pueden combinar varios métodos de selección de modo longitudinal según las necesidades para mejorar la precisión de la selección de modo longitudinal, reducir aún más el ancho de línea o aumentar la intensidad de la competencia de modos mediante la introducción de una transformación de frecuencia no lineal y otros medios, y ampliar la longitud de onda de salida del láser mientras se opera en un ancho de línea estrecho, lo cual es difícil de hacer paraláser semiconductoryláseres de fibra.
(4) Láser Brillouin
El láser Brillouin se basa en el efecto de dispersión Brillouin estimulada (SBS) para obtener una tecnología de salida de bajo ruido y ancho de línea estrecho; su principio es a través de la interacción del fotón y el campo acústico interno para producir un cierto desplazamiento de frecuencia de los fotones Stokes, y se amplifica continuamente dentro del ancho de banda de ganancia.
La figura 8 muestra el diagrama de niveles de la conversión SBS y la estructura básica del láser Brillouin.
Debido a la baja frecuencia de vibración del campo acústico, el desplazamiento de frecuencia Brillouin del material suele ser de solo 0,1-2 cm⁻¹, por lo que, con un láser de 1064 nm como luz de bombeo, la longitud de onda Stokes generada suele ser de aproximadamente 1064,01 nm. Esto también implica una eficiencia de conversión cuántica extremadamente alta (hasta el 99,99 % teóricamente). Además, dado que el ancho de línea de ganancia Brillouin del medio suele ser del orden de MHz-GHz (en algunos medios sólidos es de solo unos 10 MHz), es mucho menor que el ancho de línea de ganancia del material de trabajo del láser, del orden de 100 GHz. Por lo tanto, la onda Stokes excitada en el láser Brillouin puede mostrar un marcado estrechamiento espectral tras la amplificación múltiple en la cavidad, y su ancho de línea de salida es varios órdenes de magnitud menor que el ancho de línea de bombeo. En la actualidad, el láser Brillouin se ha convertido en un tema de investigación clave en el campo de la fotónica, y se han publicado numerosos informes sobre la emisión de líneas espectrales extremadamente estrechas del orden de Hz y subHz.
En los últimos años, los dispositivos Brillouin con estructura de guía de ondas han surgido en el campo defotónica de microondasy se están desarrollando rápidamente en la dirección de la miniaturización, la alta integración y la mayor resolución. Además, el láser Brillouin espacial basado en nuevos materiales cristalinos como el diamante ha captado la atención pública en los últimos dos años, gracias a su innovador avance en la potencia de la estructura de guía de ondas y la superación del cuello de botella de la dispersión Brillouin estimulada (SBS) en cascada, lo que ha permitido alcanzar una potencia del láser Brillouin de hasta 10 W, sentando las bases para ampliar sus aplicaciones.
Cruce general
Gracias a la continua exploración de conocimientos de vanguardia, los láseres de línea espectral estrecha se han convertido en una herramienta indispensable en la investigación científica debido a su excelente rendimiento; un ejemplo de ello es el interferómetro láser LIGO para la detección de ondas gravitacionales, que utiliza un láser de línea espectral estrecha de frecuencia única.láserCon una longitud de onda de 1064 nm como fuente de luz semilla, el ancho de línea de la luz semilla se encuentra dentro de los 5 kHz. Además, los láseres de ancho estrecho con longitud de onda sintonizable y sin salto de modo también presentan un gran potencial de aplicación, especialmente en comunicaciones coherentes, ya que satisfacen perfectamente las necesidades de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) o multiplexación por división de frecuencia (FDM) para la sintonización de longitud de onda (o frecuencia), y se espera que se conviertan en el dispositivo central de la próxima generación de tecnología de comunicaciones móviles.
En el futuro, la innovación en materiales láser y tecnología de procesamiento promoverá aún más la compresión del ancho de línea láser, la mejora de la estabilidad de frecuencia, la expansión del rango de longitud de onda y la mejora de la potencia, allanando el camino para la exploración humana del mundo desconocido.
Fecha de publicación: 29 de noviembre de 2023