Tecnología láser de ancho de línea estrecho, 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 estructura espacial única del láser de estado sólido le confiere mayor flexibilidad en el diseño de salidas de ancho de línea estrecho. Actualmente, los principales métodos implementados incluyen el método de cavidad corta, el método de cavidad de anillo unidireccional, el método estándar intracavitario, el método de cavidad de modo de péndulo de torsión, el método de rejilla de Bragg volumétrica y el método de inyección de semillas.
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 estándar FP dentro de la cavidad, es decir, el espectro de transmisión de ancho de línea estrecho del estándar se utiliza para aumentar la pérdida de otros modos longitudinales, de modo que estos se filtren en el proceso de competencia de modos debido a su baja transmitancia, para así lograr la operación de modo longitudinal único. Además, se puede obtener una cierta gama de salida de sintonización de longitud de onda controlando el ángulo y la temperatura del estándar FP y cambiando el intervalo del modo longitudinal. Las figuras 7(b) y (c) muestran el oscilador de anillo no planar (NPRO) y el método de cavidad de modo de péndulo torsional utilizado para obtener una salida de modo longitudinal único. El principio de funcionamiento es hacer que el haz se propague en una sola dirección en el resonador, eliminando eficazmente la distribución espacial desigual del número de partículas invertidas en la cavidad de onda estacionaria ordinaria, y así evitar la influencia del efecto de quemado de agujeros espaciales para lograr una salida de modo longitudinal único. El principio de selección de modo de rejilla de Bragg masiva (VBG) es similar al de los láseres de ancho de línea estrecho de semiconductores y fibra mencionados anteriormente, es decir, al usar VBG como elemento de filtro, basándose en su buena selectividad espectral y selectividad angular, el oscilador oscila en 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 expandir 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 de Brillouin
El láser de 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 consiste en producir un cierto desplazamiento de frecuencia de los fotones Stokes mediante la interacción entre el fotón y el campo acústico interno, y amplificarlo 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 de Brillouin.
Debido a la baja frecuencia de vibración del campo acústico, el desplazamiento de frecuencia de 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 de Stokes generada suele ser de solo unos 1064,01 nm, pero esto también significa que su eficiencia de conversión cuántica es extremadamente alta (hasta un 99,99% en teoría). Además, debido a que el ancho de línea de ganancia de Brillouin del medio suele ser solo del orden de MHz-GHz (el ancho de línea de ganancia de Brillouin de algunos medios sólidos es de solo unos 10 MHz), es mucho menor que el ancho de línea de ganancia de la sustancia de trabajo del láser del orden de 100 GHz, por lo que el Stokes excitado en el láser de Brillouin puede mostrar un fenómeno de estrechamiento de espectro evidente después de la amplificación múltiple en la cavidad, y su ancho de línea de salida es varios órdenes de magnitud más estrecho que el ancho de línea de bombeo. En la actualidad, el láser de Brillouin se ha convertido en un tema de investigación de gran interés en el campo de la fotónica, y se han publicado numerosos informes sobre la emisión de ancho de línea extremadamente estrecho en el orden de Hz y sub-Hz.
En los últimos años, han surgido en el campo de los dispositivos Brillouin con estructura de guía de ondas.fotónica 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 también ha captado la atención del público en los últimos dos años, gracias a su innovador avance en la potencia de la estructura de guía de ondas y el cuello de botella de la dispersión Brillouin estimulada en cascada, que eleva la potencia del láser Brillouin a la magnitud de 10 W, sentando las bases para la expansión de sus aplicaciones.
Cruce general
Con la exploración continua de conocimientos de vanguardia, los láseres de ancho de línea estrecho se han convertido en una herramienta indispensable en la investigación científica con su excelente rendimiento, como el interferómetro láser LIGO para la detección de ondas gravitacionales, que utiliza un ancho de línea estrecho de frecuencia única.lásercon una longitud de onda de 1064 nm como fuente semilla, y el ancho de línea de la luz semilla está dentro de 5 kHz. Además, los láseres de ancho estrecho con longitud de onda sintonizable y sin salto de modo también muestran un gran potencial de aplicación, especialmente en comunicaciones coherentes, que pueden satisfacer 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 comunicación móvil.
En el futuro, la innovación en los materiales láser y la tecnología de procesamiento impulsará aún más la compresión del ancho de línea del láser, la mejora de la estabilidad de la frecuencia, la ampliación del rango de longitud de onda y el aumento de la potencia, allanando el camino para la exploración humana del mundo desconocido.
Fecha de publicación: 29 de noviembre de 2023