Công nghệ Laser có Độ rộng vạch hẹp Phần hai
Năm 1960, laser ruby đầu tiên trên thế giới là một loại laser bán dẫn, đặc trưng bởi năng lượng đầu ra cao và phạm vi bước sóng rộng hơn. Cấu trúc không gian độc đáo của laser bán dẫn giúp nó linh hoạt hơn trong thiết kế đầu ra có độ rộng vạch hẹp. Hiện nay, các phương pháp chính được áp dụng bao gồm phương pháp khoang ngắn, phương pháp khoang vòng một chiều, phương pháp chuẩn trong khoang, phương pháp khoang chế độ con lắc xoắn, phương pháp cách tử Bragg thể tích và phương pháp tiêm mồi.
Hình 7 thể hiện cấu trúc của một số laser trạng thái rắn đơn mode dọc điển hình.
Hình 7(a) minh họa nguyên lý hoạt động của việc lựa chọn chế độ dọc đơn dựa trên chuẩn FP trong khoang cộng hưởng, tức là, phổ truyền dẫn có độ rộng vạch hẹp của chuẩn được sử dụng để tăng tổn hao của các chế độ dọc khác, sao cho các chế độ dọc khác bị lọc bỏ trong quá trình cạnh tranh chế độ do độ truyền dẫn nhỏ của chúng, nhằm đạt được hoạt động ở chế độ dọc đơn. Ngoài ra, có thể thu được một phạm vi điều chỉnh bước sóng nhất định bằng cách điều khiển Góc và nhiệt độ của chuẩn FP và thay đổi khoảng cách giữa các chế độ dọc. Hình 7(b) và (c) minh họa bộ dao động vòng không phẳng (NPRO) và phương pháp khoang cộng hưởng chế độ con lắc xoắn được sử dụng để thu được đầu ra ở chế độ dọc đơn. Nguyên lý hoạt động là làm cho chùm tia truyền theo một hướng duy nhất trong bộ cộng hưởng, loại bỏ hiệu quả sự phân bố không đồng đều về số lượng các hạt đảo chiều trong khoang sóng đứng thông thường, và do đó tránh được ảnh hưởng của hiệu ứng đốt lỗ không gian để đạt được đầu ra ở chế độ dọc đơn. Nguyên lý lựa chọn chế độ của lưới Bragg khối (VBG) tương tự như các laser bán dẫn và sợi quang có độ rộng vạch hẹp đã đề cập trước đó, tức là, bằng cách sử dụng VBG làm phần tử lọc, dựa trên khả năng chọn lọc quang phổ và góc tốt của nó, bộ dao động sẽ dao động ở một bước sóng hoặc dải tần cụ thể để thực hiện vai trò lựa chọn chế độ dọc, như thể hiện trong Hình 7(d).
Đồng thời, có thể kết hợp một số phương pháp lựa chọn chế độ dọc theo nhu cầu để cải thiện độ chính xác lựa chọn chế độ dọc, thu hẹp hơn nữa độ rộng vạch phổ, hoặc tăng cường cường độ cạnh tranh chế độ bằng cách đưa vào biến đổi tần số phi tuyến và các phương tiện khác, và mở rộng bước sóng đầu ra của laser trong khi hoạt động ở độ rộng vạch phổ hẹp, điều này rất khó thực hiện đối với các phương pháp đơn lẻ.laser bán dẫnVàlaser sợi quang.
(4) Tia laser Brillouin
Laser Brillouin dựa trên hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích (SBS) để tạo ra công nghệ đầu ra có độ nhiễu thấp và độ rộng vạch hẹp. Nguyên lý hoạt động là thông qua sự tương tác giữa photon và trường âm thanh bên trong để tạo ra sự dịch chuyển tần số nhất định của các photon Stokes, và được khuếch đại liên tục trong phạm vi băng thông khuếch đại.
Hình 8 thể hiện sơ đồ mức năng lượng của quá trình chuyển đổi SBS và cấu trúc cơ bản của laser Brillouin.
Do tần số dao động thấp của trường âm thanh, độ dịch chuyển tần số Brillouin của vật liệu thường chỉ là 0,1-2 cm⁻¹, vì vậy với laser 1064 nm làm ánh sáng bơm, bước sóng Stokes tạo ra thường chỉ khoảng 1064,01 nm, nhưng điều này cũng có nghĩa là hiệu suất chuyển đổi lượng tử của nó cực kỳ cao (lên đến 99,99% về mặt lý thuyết). Ngoài ra, vì độ rộng vạch khuếch đại Brillouin của môi trường thường chỉ ở mức MHz-GHz (độ rộng vạch khuếch đại Brillouin của một số môi trường rắn chỉ khoảng 10 MHz), nó nhỏ hơn nhiều so với độ rộng vạch khuếch đại của chất làm việc của laser ở mức 100 GHz, do đó, Stokes được kích thích trong laser Brillouin có thể thể hiện hiện tượng thu hẹp phổ rõ rệt sau nhiều lần khuếch đại trong khoang cộng hưởng, và độ rộng vạch đầu ra của nó hẹp hơn nhiều bậc so với độ rộng vạch bơm. Hiện nay, laser Brillouin đã trở thành một điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực quang tử, và đã có nhiều báo cáo về đầu ra có độ rộng vạch cực hẹp ở tần số Hz và dưới Hz.
Trong những năm gần đây, các thiết bị Brillouin với cấu trúc ống dẫn sóng đã xuất hiện trong lĩnh vực này.quang tử vi sóngvà đang phát triển nhanh chóng theo hướng thu nhỏ, tích hợp cao và độ phân giải cao hơn. Ngoài ra, laser Brillouin hoạt động trong không gian dựa trên các vật liệu tinh thể mới như kim cương cũng đã thu hút sự chú ý của mọi người trong hai năm qua, với bước đột phá sáng tạo trong cấu trúc ống dẫn sóng và nút thắt cổ chai SBS tầng, giúp công suất của laser Brillouin đạt đến mức 10 W, đặt nền tảng cho việc mở rộng ứng dụng của nó.
Ngã tư chung
Với sự không ngừng khám phá những kiến thức tiên tiến, laser có độ rộng vạch phổ hẹp đã trở thành công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học nhờ hiệu năng vượt trội, ví dụ như giao thoa kế laser LIGO dùng để phát hiện sóng hấp dẫn, sử dụng laser đơn tần có độ rộng vạch phổ hẹp.tia laserVới bước sóng 1064 nm làm nguồn phát tín hiệu, và độ rộng vạch phổ của ánh sáng tín hiệu nằm trong khoảng 5 kHz. Ngoài ra, các laser có độ rộng vạch phổ hẹp với bước sóng có thể điều chỉnh và không có hiện tượng nhảy mode cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng rất lớn, đặc biệt là trong truyền thông đồng bộ, có thể đáp ứng hoàn hảo nhu cầu ghép kênh phân chia bước sóng (WDM) hoặc ghép kênh phân chia tần số (FDM) về khả năng điều chỉnh bước sóng (hoặc tần số), và được kỳ vọng sẽ trở thành thiết bị cốt lõi của công nghệ truyền thông di động thế hệ tiếp theo.
Trong tương lai, sự đổi mới về vật liệu laser và công nghệ chế tạo sẽ tiếp tục thúc đẩy việc thu hẹp độ rộng vạch laser, cải thiện độ ổn định tần số, mở rộng phạm vi bước sóng và nâng cao công suất, mở đường cho nhân loại khám phá thế giới chưa được biết đến.
Thời gian đăng bài: 29/11/2023