Czy znasz technologię laserową o wąskiej szerokości linii?

O czym myślisz, gdy myślisz o laserach? A  dzierżony laserowy miecz przez generała Grievousa w Gwiezdnych wojnach? A może jeden z tych śmiercionośnych kanałów laserowych z Resident Evil? A może laserowe oczy Scotta z X-Men, które mogą spalić wszystko? Te „lasery”, jak je nazywamy, często pojawiają się w niektórych dziełach science fiction w postaci dużej mocy i wysokiej energii, wykazując wielką moc (patrz rysunek 1).

W prawdziwym życiu lasery wkradły się również do wielu gałęzi przemysłu, od dziedzin medycyny, takich jak kosmetologia laserowa i leczenie krótkowzroczności, po dziedziny produkcji przemysłowej, takie jak znakowanie laserowe, cięcie i spawanie, a także najnowocześniejsze dziedziny naukowe, takie jak wykrywanie radarów, mikroskopia obrazowanie i komunikacja kwantowa, które pojawiły się w ostatnich latach. Obecnie technologia laserowa wniosła wybitny wkład w promowanie rozwoju bezpieczeństwa obrony narodowej, biomedycyny, inteligentnej produkcji i informacji.

Czy jednak lasery, których wszyscy potrzebujemy, muszą mieć dużą moc i wielką „śmiertelność”, jak pokazano na filmie?

Przede wszystkim musimy przyjrzeć się podstawowym cechom lasera różniącym się od tradycyjnego źródła światła, jak pokazano na rysunku 2, wspomnieliśmy wcześniej w pracach filmowych i telewizyjnych laser ma potężne właściwości, zwykle proporcjonalne do jasności (moc ) lasera, ale również odbija laser ma dobrą charakterystykę kierunkową.

Ponadto w centrum uwagi znajduje się również monochromatyczność i spójność. Światło emitowane przez zwykłe źródło światła ma zwykle różną częstotliwość, więc zawiera różnorodne kolory, a różne fotony emitowane przez laser mają tę samą częstotliwość, więc jest to bardzo doskonałe monochromatyczne źródło światła. Nie tylko to, ponieważ fotony wzbudzonego promieniowania lasera są spójne w fazie, istnieje stała zależność fazowa między punktami na przekroju wiązki laserowej pod działaniem rezonatora, więc w porównaniu ze zwykłym źródłem światła koherencja lasera jest również doskonała. W połączeniu z doskonałą monochromatycznością i właściwościami koherencji lasera, nawet jeśli nie ma „halo” o dużej mocy kilowatów i 10,{2}} watów, lasery mogą być nadal szeroko stosowane w technologii spektralnej, pomiarach optycznych i innych dziedzinach.

Charakterystyka lasera różniącego się od tradycyjnych źródeł światła

Dziś do ekstremum wprowadzimy laser „monochromatyczny” – laser o wąskiej szerokości linii. Jego pojawienie się wypełnia luki w wielu dziedzinach zastosowań lasera, aw ostatnich latach był szeroko stosowany w wykrywaniu fal grawitacyjnych, LiDAR, wykrywaniu rozproszonym, szybkiej spójnej komunikacji optycznej i innych dziedzinach, co jest „misją”, której nie można zakończyć jedynie poprzez poprawę mocy lasera.

Wykonanie i zastosowanie lasera wąskoliniowego

Ograniczona przez nieodłączną szerokość linii wzmocnienia substancji roboczej lasera, prawie niemożliwe jest bezpośrednie zrealizowanie wyjścia lasera o wąskiej szerokości linii, opierając się na samym tradycyjnym oscylatorze. Aby zrealizować działanie lasera o wąskiej szerokości linii, zwykle konieczne jest użycie filtrów, siatek i innych urządzeń ograniczających lub wybierających moduł podłużny w widmie wzmocnienia i zwiększających różnicę wzmocnienia netto między modami podłużnymi, tak aby istniały kilka lub nawet tylko jedna oscylacja modu podłużnego w rezonatorze laserowym. W procesie tym często konieczna jest kontrola wpływu szumu na moc wyjściową lasera oraz minimalizacja poszerzenia linii widmowych spowodowanego drganiami i zmianami temperatury środowiska zewnętrznego; Jednocześnie można go również połączyć z analizą gęstości widmowej szumu fazowego lub częstotliwościowego, aby zrozumieć źródło szumu i zoptymalizować konstrukcję lasera, aby uzyskać stabilną moc wyjściową lasera o wąskiej szerokości linii.

Przyjrzyjmy się realizacji operacji wąskiej szerokości linii kilku różnych kategorii laserów.

1) Laser półprzewodnikowy

Lasery półprzewodnikowe mają zalety niewielkich rozmiarów, wysokiej wydajności, długiej żywotności i korzyści ekonomicznych.

Rezonator optyczny Fabry'ego-Perota (FP) stosowany w tradycyjnych laserach półprzewodnikowych na ogół oscyluje w trybie wielopodłużnym, a szerokość linii wyjściowej jest stosunkowo szeroka, dlatego konieczne jest zwiększenie optycznego sprzężenia zwrotnego, aby uzyskać moc wyjściową o wąskiej szerokości linii.

Rozproszone sprzężenie zwrotne (DFB) i rozproszone odbicie Bragga (DBR) to dwa typowe lasery półprzewodnikowe z wewnętrznym optycznym sprzężeniem zwrotnym. Ich struktury i widma wyjściowe pokazano na FIG. 5. Ze względu na mały skok siatki i dobrą selektywność długości fali, łatwo jest osiągnąć stabilną moc wyjściową o wąskiej szerokości linii o pojedynczej częstotliwości. Główną różnicą między tymi dwiema strukturami jest położenie siatki: struktura DFB zwykle rozkłada okresową strukturę siatki Bragga w całym rezonatorze, a rezonator DBR zwykle składa się ze struktury siatki refleksyjnej i obszaru wzmocnienia zintegrowanego z powierzchnia końcowa. Ponadto lasery DFB wykorzystują wbudowane siatki o niskim kontraście współczynnika załamania światła i niskim współczynniku odbicia. Lasery DBR wykorzystują siatki powierzchniowe o wysokim kontraście współczynnika załamania światła i wysokim współczynniku odbicia. Obie struktury mają duży zakres swobodnego widma i mogą przeprowadzać strojenie długości fali bez przeskoku trybu w zakresie kilku nanometrów, gdzie laser DBR ma szerszy zakres strojenia niż laser DFB.

Ponadto technologia optycznego sprzężenia zwrotnego wnęki zewnętrznej, która wykorzystuje zewnętrzne elementy optyczne do sprzężenia zwrotnego wychodzącego światła z półprzewodnikowego układu laserowego i wyboru częstotliwości, może również realizować działanie lasera półprzewodnikowego na wąską szerokość linii.

2) Lasery światłowodowe

Lasery światłowodowe mają wysoką wydajność konwersji pompy, dobrą jakość wiązki i wysoką wydajność sprzężenia, co jest gorącym tematem badawczym w dziedzinie laserów. W kontekście ery informacji lasery światłowodowe mają dobrą kompatybilność z obecnymi na rynku systemami komunikacji światłowodowej. Laser światłowodowy jednoczęstotliwościowy, charakteryzujący się wąską szerokością linii, niskim poziomem szumów i dobrą koherencją, stał się jednym z ważnych kierunków jego rozwoju.

Działanie pojedynczego trybu podłużnego jest rdzeniem lasera światłowodowego w celu uzyskania wąskiej szerokości linii wyjściowej, zwykle zgodnie ze strukturą rezonatora lasera światłowodowego o pojedynczej częstotliwości można podzielić na typ DFB, typ DBR i typ pierścienia. Wśród nich zasada działania jednoczęstotliwościowych laserów światłowodowych DFB i DBR jest podobna do laserów półprzewodnikowych DFB i DBR.

Laser światłowodowy DFB ma zapisywać rozproszoną siatkę Bragga w światłowodzie. Ponieważ długość fali roboczej oscylatora zależy od okresu światłowodu, tryb podłużny można wybrać na podstawie rozproszonego sprzężenia zwrotnego siatki. Rezonator laserowy lasera DBR jest zwykle utworzony przez parę światłowodowych siatek Bragga, a pojedynczy tryb podłużny jest wybierany głównie przez wąskopasmowe i światłowodowe siatki Bragga o niskim współczynniku odbicia. Jednak ze względu na długi rezonator, złożoną strukturę i brak skutecznego mechanizmu dyskryminacji częstotliwości, wnęka w kształcie pierścienia jest podatna na przeskakiwanie modów i trudno jest stabilnie pracować w stałym trybie podłużnym przez długi czas.

3) Laser na ciele stałym

W 1960 roku pierwszym na świecie laserem rubinowym był laser na ciele stałym, charakteryzujący się dużą energią wyjściową i szerszym pokryciem długości fal. Unikalna struktura przestrzenna lasera na ciele stałym sprawia, że ​​jest on bardziej elastyczny w projektowaniu wąskich linii wyjściowych. Obecnie główne stosowane metody obejmują metodę krótkiej wnęki, metodę jednokierunkowej wnęki pierścieniowej, metodę standardową wewnątrz wnęki, metodę wnęki w trybie wahadła torsyjnego, metodę objętościowej siatki Bragga i metodę wstrzykiwania nasion.

Informacje kontaktowe:

Jeśli masz jakieś pomysły, możesz z nami porozmawiać. Bez względu na to, gdzie są nasi klienci i jakie są nasze wymagania, będziemy podążać za naszym celem, aby zapewnić naszym klientom wysoką jakość, niskie ceny i najlepszą obsługę.