Công nghệ Laser đường hẹp Phần hai

Công nghệ Laser đường hẹp Phần hai

(3)Laser trạng thái rắn

Năm 1960, laser hồng ngọc đầu tiên trên thế giới là laser thể rắn, đặc trưng bởi năng lượng đầu ra cao và phạm vi bước sóng rộng hơn. Cấu trúc không gian độc đáo của laser thể rắn giúp nó linh hoạt hơn trong việc thiết kế đầu ra có độ rộng vạch phổ hẹp. Hiện nay, các phương pháp chính được triển khai 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 hạt.

Hình 7 cho thấy cấu trúc của một số laser trạng thái rắn chế độ dọc đơn điển hình.

Hình 7(a) thể hiện nguyên lý hoạt động của phương pháp lựa chọn mode dọc đơn dựa trên chuẩn FP trong khoang, tức là sử dụng phổ truyền dẫn có độ rộng vạch hẹp của chuẩn để tăng độ suy hao của các mode dọc khác, do đó các mode dọc khác bị lọc bỏ trong quá trình cạnh tranh mode do độ truyền qua nhỏ của chúng, nhằm đạt được hoạt động mode dọc đơn. Ngoài ra, có thể đạt được một dải đầu ra điều chỉnh bước sóng nhất định bằng cách điều khiển Góc và nhiệt độ của chuẩn FP và thay đổi khoảng mode dọc. HÌNH 7(b) và (c) thể hiện bộ dao động vòng phi phẳng (NPRO) và phương pháp khoang mode con lắc xoắn được sử dụng để thu được một đầu ra mode dọc đơn. Nguyên lý hoạt động là làm cho chùm tia lan truyền theo một hướng duy nhất trong bộ cộng hưởng, loại bỏ hiệu quả sự phân bố không gian không đồng đều của số lượng hạt đảo ngược trong khoang sóng dừng thông thường, và do đó tránh được ảnh hưởng của hiệu ứng cháy lỗ không gian để đạt được một đầu ra mode dọc đơn. Nguyên lý lựa chọn chế độ của mạng Bragg khối (VBG) tương tự như nguyên lý của laser bán dẫn và laser sợi quang có độ rộng vạch hẹp đã đề cập trước đó, nghĩa là, bằng cách sử dụng VBG làm phần tử lọc, dựa trên khả năng chọn lọc phổ và chọn lọc góc tốt, bộ dao động dao động ở bước sóng hoặc băng tần cụ thể để đạt được vai trò lựa chọn chế độ dọc, như thể hiện trong Hình 7(d).
Đồng thời, một số phương pháp lựa chọn chế độ dọc có thể được kết hợp theo nhu cầu để cải thiện độ chính xác lựa chọn chế độ dọc, thu hẹp hơn nữa độ rộng đường truyền hoặc tăng cường độ cạnh tranh chế độ bằng cách đưa vào biến đổi tần số phi tuyến tính và các phương tiện khác, đồng thời mở rộng bước sóng đầu ra của tia laser trong khi hoạt động ở độ rộng đường truyền hẹp, điều này khó thực hiện đối vớilaser bán dẫnVàlaser sợi quang.

(4) Tia laser Brillouin

Tia laser Brillouin dựa trên hiệu ứng tán xạ Brillouin kích thích (SBS) để có được công nghệ đầu ra có độ nhiễu thấp, độ rộng đường truyền hẹp, nguyên lý của nó 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 băng thông khuếch đại.

Hình 8 cho thấy sơ đồ mức chuyển đổi SBS và cấu trúc cơ bản của laser Brillouin.

Do tần số rung động thấp của trường âm thanh, độ dịch chuyển tần số Brillouin của vật liệu thường chỉ 0,1-2 cm-1, vì vậy với laser 1064 nm làm ánh sáng bơm, bước sóng Stokes được 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, do độ rộng vạch khuếch đại Brillouin của môi trường thường chỉ ở cấp MHZ-ghz (độ rộng vạch khuếch đại Brillouin của một số môi trường rắn chỉ khoảng 10 MHz), nên nó nhỏ hơn nhiều so với độ rộng vạch khuếch đại của chất làm việc laser ở cấp 100 GHz, vì vậy, Stokes được kích thích trong laser Brillouin có thể cho thấy hiện tượng thu hẹp phổ rõ ràng sau khi khuếch đại nhiều lần trong khoang và độ rộng vạch đầu ra của nó hẹp hơn độ rộng vạch bơm theo cấp số nhân. Hiện nay, laser Brillouin đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong lĩnh vực quang tử và đã có nhiều báo cáo về dải tần số Hz và dưới Hz có độ rộng vạch cực kỳ hẹp.

Trong những năm gần đây, các thiết bị Brillouin có cấu trúc ống dẫn sóng đã xuất hiện trong lĩnh vựcphotonic vi sóng, và 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 vật liệu tinh thể mới như kim cương cũng đã lọt vào tầm nhìn của mọi người trong hai năm qua, với bước đột phá sáng tạo về công suất của cấu trúc ống dẫn sóng và nút thắt SBS dạng thác, nâng công suất laser Brillouin lên 10 W, đặt nền móng cho việc mở rộng ứng dụng.
Ngã ba chung
Với việc liên tục khám phá kiến ​​thức tiên tiến, laser có độ rộng vạch hẹp đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học với hiệu suất tuyệt vời của chúng, chẳng hạn như máy giao thoa kế laser LIGO để phát hiện sóng hấp dẫn, sử dụng laser có độ rộng vạch hẹp một tần sốtia laservới bước sóng 1064 nm làm nguồn hạt giống, và độ rộng vạch phổ của ánh sáng hạt giống nằm trong phạm vi 5 kHz. Ngoài ra, laser có độ rộng hẹp, có thể điều chỉnh bước sóng và không nhảy mode cũng cho thấy tiềm năng ứng dụng to lớn, đặc biệt là trong truyền thông mạch lạc, có thể đáp ứng hoàn hảo nhu cầu điều chỉnh bước sóng (hoặc tần số) của ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM) hoặc ghép kênh phân chia theo tần số (FDM), 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 xử lý sẽ thúc đẩy hơn nữa việc nén băng thông laser, cải thiện độ ổn định tần số, mở rộng phạm vi bước sóng và cải thiện công suất, mở đường cho con người khám phá thế giới chưa biết.