Kapean viivanleveyden lasertekniikka, osa kaksi
Vuonna 1960 maailman ensimmäinen rubiinilaser oli kiinteän olomuodon laser, jolle oli ominaista korkea lähtöenergia ja laajempi aallonpituusalue. Kiinteän olomuodon laserin ainutlaatuinen spatiaalinen rakenne tekee siitä joustavamman kapean viivanleveyden tuoton suunnittelussa. Tällä hetkellä tärkeimpiä käytössä olevia menetelmiä ovat lyhytontelomenetelmä, yksisuuntainen rengasontelomenetelmä, ontelon sisäinen standardimenetelmä, vääntöheilurin ontelomenetelmä, tilavuus-Bragg-hilamenetelmä ja siemeninjektiomenetelmä.
Kuva 7 esittää useiden tyypillisten yksisuuntaisen moodin kiinteän olomuodon lasereiden rakennetta.
Kuva 7(a) esittää onteloon perustuvan yksittäisen pitkittäismoodin valinnan toimintaperiaatteen. Standardin kapeaa viivanleveyttä hyödyntävää läpäisyspektriä käytetään muiden pitkittäismoodien häviöiden lisäämiseen, jolloin muut pitkittäismoodit suodatetaan pois moodikilpailuprosessissa niiden pienen läpäisykyvyn vuoksi, jolloin saavutetaan yksi pitkittäismoodin toiminta. Lisäksi tietty aallonpituuden virityslähdön alue voidaan saavuttaa säätämällä FP-standardin kulmaa ja lämpötilaa sekä muuttamalla pitkittäismoodiväliä. Kuvat 7(b) ja (c) esittävät epätasomaisen rengasoskillaattorin (NPRO) ja vääntöheilurin ontelomenetelmän, jolla saadaan aikaan yksi pitkittäismoodin lähtö. Toimintaperiaatteena on saada säde etenemään yhteen suuntaan resonaattorissa, mikä tehokkaasti eliminoi käänteisten hiukkasten lukumäärän epätasaisen spatiaalisen jakauman tavallisessa seisovan aallontelossa ja siten välttää spatiaalisen aukonpolttovaikutuksen vaikutus, jolloin saavutetaan yksi pitkittäismoodin lähtö. Bulkki-Bragg-hilatekniikan (VBG) moodivalinnan periaate on samanlainen kuin aiemmin mainituissa puolijohde- ja kuitukapean viivanleveyden lasereissa, eli käyttämällä VBG:tä suodatinelementtinä sen hyvän spektraalisen selektiivisyyden ja kulmaselektiivisyyden perusteella oskillaattori värähtelee tietyllä aallonpituudella tai kaistalla pitkittäisen moodivalinnan saavuttamiseksi, kuten kuvassa 7(d) on esitetty.
Samaan aikaan useita pitkittäissuuntaisen moodin valintamenetelmiä voidaan yhdistää tarpeen mukaan pitkittäissuuntaisen moodin valintatarkkuuden parantamiseksi, viivanleveyden kaventamiseksi edelleen tai moodikilpailun intensiteetin lisäämiseksi ottamalla käyttöön epälineaarista taajuusmuunnosta ja muita keinoja, sekä laserin lähtöaallonpituuden laajentamiseksi samalla, kun se toimii kapealla viivanleveydellä, mikä on vaikeaa tehdäpuolijohdelaserjakuitulaserit.
(4) Brillouin-laser
Brillouin-laser perustuu stimuloituun Brillouin-sirontaan (SBS), jolla saavutetaan alhainen kohina ja kapea viivanleveys. Sen periaate on fotonin ja sisäisen akustisen kentän vuorovaikutuksen kautta tuottaa tietty Stokesin fotonien taajuusmuutos, jota vahvistetaan jatkuvasti vahvistuskaistanleveyden sisällä.
Kuva 8 esittää SBS-muunnoksen tasokaavion ja Brillouin-laserin perusrakenteen.
Akustisen kentän alhaisen värähtelytaajuuden vuoksi materiaalin Brillouinin taajuussiirtymä on yleensä vain 0,1–2 cm⁻¹. Joten 1064 nm:n laserilla pumppausvalona syntyvä Stokesin aallonpituus on usein vain noin 1064,01 nm. Tämä tarkoittaa myös sitä, että sen kvanttimuunnoshyötysuhde on erittäin korkea (teoriassa jopa 99,99 %). Lisäksi, koska väliaineen Brillouinin vahvistusviivanleveys on yleensä vain luokkaa MHz-ghz (joidenkin kiinteiden väliaineiden Brillouinin vahvistusviivanleveys on vain noin 10 MHz), se on huomattavasti pienempi kuin laserin työaineen luokkaa 100 GHz oleva vahvistusviivanleveys. Brillouinin laserin virittämä Stokes voi siis osoittaa selvää spektrin kaventumista moninkertaisen vahvistuksen jälkeen ontelossa, ja sen lähtöviivanleveys on useita kertaluokkia kapeampi kuin pumppausviivanleveys. Tällä hetkellä Brillouin-laserista on tullut fotoniikan alan tutkimuskohde, ja erittäin kapean viivanleveyden ulostulon Hz- ja ali-Hz-luokituksesta on tehty monia raportteja.
Viime vuosina alalla on ilmestynyt aaltojohderakenteisia Brillouin-laitteita.mikroaaltofotoniikkaja kehittyvät nopeasti miniatyrisoinnin, korkean integraation ja korkeamman resoluution suuntaan. Lisäksi avaruudessa toimiva, uusiin kidemateriaaleihin, kuten timanttiin, perustuva Brillouin-laser on tullut ihmisten tietoisuuteen viimeisten kahden vuoden aikana. Sen innovatiivinen läpimurto aaltojohdinrakenteen tehossa ja kaskadi-SBS-pullonkaulassa nosti Brillouin-laserin tehon 10 W:iin, mikä loi pohjan sen sovellusten laajentamiselle.
Yleinen risteys
Jatkuvan huipputiedon tutkimisen myötä kapeista viivaleveyslasereista on tullut korvaamaton työkalu tieteellisessä tutkimuksessa erinomaisen suorituskykynsä ansiosta. Kuten esimerkiksi gravitaatioaaltojen havaitsemiseen tarkoitettu laserinterferometri LIGO, joka käyttää yksitaajuista kapeaa viivaleveyslaseria.laserjonka aallonpituus on 1064 nm siemenlähteenä, ja siemenvalon viivanleveys on 5 kHz:n sisällä. Lisäksi kapealeveyksisillä lasereilla, joiden aallonpituus on viritettävissä ja joilla ei ole moodihyppyä, on myös suuri sovelluspotentiaali, erityisesti koherentissa viestinnässä, mikä voi täydellisesti vastata aallonpituusjakoisen multipleksoinnin (WDM) tai taajuusjakoisen multipleksoinnin (FDM) tarpeisiin aallonpituuden (tai taajuuden) viritettävyyden suhteen, ja sen odotetaan tulevan seuraavan sukupolven mobiiliviestintäteknologian ydinlaitteeksi.
Tulevaisuudessa lasermateriaalien ja -prosessointitekniikan innovaatiot edistävät entisestään laserin viivanleveyden puristamista, taajuusvakauden parantamista, aallonpituusalueen laajentamista ja tehon parantamista, mikä avaa tien ihmisen tutkimukselle tuntemattomassa maailmassa.
Julkaisun aika: 29.11.2023