เทคโนโลยีเลเซอร์เส้นแคบ ตอนที่ 2

เทคโนโลยีเลเซอร์เส้นแคบ ตอนที่ 2

(3)เลเซอร์โซลิดสเตต

ในปี พ.ศ. 2503 เลเซอร์ทับทิมตัวแรกของโลกเป็นเลเซอร์โซลิดสเตต ซึ่งโดดเด่นด้วยพลังงานเอาต์พุตสูงและครอบคลุมความยาวคลื่นได้กว้างกว่า โครงสร้างเชิงพื้นที่ที่เป็นเอกลักษณ์ของเลเซอร์โซลิดสเตตทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการออกแบบเอาต์พุตเส้นความกว้างแคบ ปัจจุบัน วิธีการหลักที่นำมาใช้ ได้แก่ วิธีโพรงสั้น วิธีโพรงวงแหวนทางเดียว วิธีมาตรฐานภายในโพรง วิธีโพรงแบบลูกตุ้มบิด วิธีโพรงแบบปริมาตรแบรกก์เกรตติง และวิธีการฉีดเมล็ด

รูปที่ 7 แสดงโครงสร้างของเลเซอร์โซลิดสเตตโหมดตามยาวเดี่ยวแบบทั่วไปหลายตัว

รูปที่ 7(a) แสดงหลักการทำงานของการเลือกโหมดตามยาวเดี่ยวตามมาตรฐาน FP แบบ in-cavity นั่นคือ สเปกตรัมการส่งผ่านแบบเส้นตรงแคบของมาตรฐานนี้ถูกใช้เพื่อเพิ่มการสูญเสียของโหมดตามยาวอื่นๆ ทำให้โหมดตามยาวอื่นๆ ถูกกรองออกในกระบวนการแข่งขันโหมดเนื่องจากค่าการส่งผ่านต่ำ เพื่อให้ได้การทำงานในโหมดตามยาวเดี่ยว นอกจากนี้ สามารถปรับช่วงความยาวคลื่นเอาต์พุตได้โดยการควบคุมมุมและอุณหภูมิของมาตรฐาน FP และการเปลี่ยนช่วงโหมดตามยาว รูปที่ 7(b) และ (c) แสดงออสซิลเลเตอร์วงแหวนแบบไม่ระนาบ (NPRO) และวิธีโหมดโพรงลูกตุ้มบิดที่ใช้เพื่อให้ได้เอาต์พุตโหมดตามยาวเดี่ยว หลักการทำงานคือการทำให้ลำแสงแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวภายในเรโซเนเตอร์ กำจัดการกระจายตัวของอนุภาคที่กลับด้านอย่างไม่สม่ำเสมอในโพรงคลื่นนิ่งทั่วไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงอิทธิพลของผลกระทบจากการเผาไหม้ของหลุมอวกาศ เพื่อให้ได้เอาต์พุตโหมดตามยาวเพียงโหมดเดียว หลักการของการเลือกโหมด Bulk Bragg Grating (VBG) คล้ายกับเลเซอร์เส้นแคบแบบเซมิคอนดักเตอร์และไฟเบอร์ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ นั่นคือ การใช้ VBG เป็นองค์ประกอบตัวกรอง โดยอาศัยความสามารถในการเลือกสเปกตรัมและการเลือกมุมที่ดี ออสซิลเลเตอร์จะแกว่งที่ความยาวคลื่นหรือแถบที่กำหนด เพื่อให้เกิดบทบาทในการเลือกโหมดตามยาว ดังแสดงในรูปที่ 7(d)
ในเวลาเดียวกัน วิธีการเลือกโหมดตามยาวหลายวิธีสามารถรวมกันได้ตามความต้องการเพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการเลือกโหมดตามยาว ลดความกว้างของเส้นให้แคบลง หรือเพิ่มความเข้มข้นของการแข่งขันโหมดโดยการแนะนำการแปลงความถี่แบบไม่เชิงเส้นและวิธีการอื่น และขยายความยาวคลื่นเอาต์พุตของเลเซอร์ในขณะที่ทำงานในความกว้างของเส้นที่แคบ ซึ่งทำได้ยากเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และไฟเบอร์เลเซอร์.

(4) เลเซอร์บริลลูอิน

เลเซอร์บริลลูอินใช้หลักการของการกระเจิงบริลลูอิน (SBS) ที่ถูกกระตุ้นเพื่อให้ได้เทคโนโลยีเอาต์พุตที่มีสัญญาณรบกวนต่ำและความกว้างของเส้นที่แคบ หลักการคือการใช้โฟตอนและสนามเสียงภายในโต้ตอบกันเพื่อสร้างการเลื่อนความถี่ของโฟตอนสโตกส์ และจะขยายอย่างต่อเนื่องภายในแบนด์วิดท์ของเกน

รูปที่ 8 แสดงแผนภาพระดับของการแปลง SBS และโครงสร้างพื้นฐานของเลเซอร์ Brillouin

เนื่องจากความถี่การสั่นสะเทือนต่ำของสนามเสียง การเลื่อนความถี่ของวัสดุ Brillouin จึงมักอยู่ที่ 0.1-2 ซม. -1 เท่านั้น ดังนั้นเมื่อใช้เลเซอร์ 1064 นาโนเมตรเป็นแสงปั๊ม ความยาวคลื่นสโตกส์ที่เกิดขึ้นมักจะอยู่ที่ประมาณ 1064.01 นาโนเมตรเท่านั้น แต่นั่นก็หมายความว่าประสิทธิภาพการแปลงควอนตัมนั้นสูงมาก (ในทางทฤษฎีสูงถึง 99.99%) นอกจากนี้ เนื่องจากความกว้างของเส้นเกนของตัวกลางของ Brillouin มักจะอยู่ที่ประมาณ MHz-GHz เท่านั้น (ความกว้างของเส้นเกนของ Brillouin ของตัวกลางที่เป็นของแข็งบางชนิดอยู่ที่ประมาณ 10 MHz เท่านั้น) จึงน้อยกว่าความกว้างของเส้นเกนของสารทำงานของเลเซอร์ที่อยู่ที่ประมาณ 100 GHz มาก ดังนั้น สโตกส์ที่ถูกกระตุ้นในเลเซอร์ Brillouin จึงสามารถแสดงปรากฏการณ์การแคบลงของสเปกตรัมได้อย่างชัดเจนหลังจากการขยายหลายครั้งในโพรง และความกว้างของเส้นเอาต์พุตจะแคบกว่าความกว้างของเส้นปั๊มหลายลำดับความสำคัญ ในปัจจุบัน เลเซอร์ Brillouin ได้กลายเป็นจุดศูนย์กลางการวิจัยในสาขาโฟโตนิกส์ และมีรายงานมากมายเกี่ยวกับลำดับเฮิรตซ์และย่อยเฮิรตซ์ของเอาต์พุตเส้นความกว้างที่แคบมาก

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุปกรณ์ Brillouin ที่มีโครงสร้างท่อนำคลื่นได้ปรากฏขึ้นในสาขาโฟโตนิกส์ไมโครเวฟและกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วในทิศทางของการย่อส่วน การผสานรวมระดับสูง และความละเอียดที่สูงขึ้น นอกจากนี้ เลเซอร์บริลลูอินที่ขับเคลื่อนด้วยอวกาศซึ่งใช้วัสดุผลึกชนิดใหม่ เช่น เพชร ก็เข้ามามีบทบาทสำคัญต่อวิสัยทัศน์ของผู้คนในช่วงสองปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าทางนวัตกรรมในด้านพลังของโครงสร้างท่อนำคลื่นและคอขวดของ SBS แบบคาสเคด รวมถึงพลังของเลเซอร์บริลลูอินที่ 10 วัตต์ กำลังวางรากฐานสำหรับการขยายขอบเขตการใช้งาน
ทางแยกทั่วไป
ด้วยการสำรวจความรู้ที่ทันสมัยอย่างต่อเนื่อง เลเซอร์เส้นกว้างแคบจึงกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ด้วยประสิทธิภาพอันยอดเยี่ยม เช่น เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ LIGO สำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งใช้เส้นกว้างแคบความถี่เดียวเลเซอร์โดยมีความยาวคลื่น 1,064 นาโนเมตรเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณ และความกว้างของเส้นแสงของสัญญาณอยู่ภายใน 5 กิโลเฮิรตซ์ นอกจากนี้ เลเซอร์แบบความกว้างแคบที่สามารถปรับความยาวคลื่นได้และไม่มีการกระโดดโหมด ยังมีศักยภาพในการใช้งานที่ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสื่อสารแบบสอดคล้องกัน ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของระบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) หรือมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่ (FDM) เพื่อการปรับความยาวคลื่น (หรือความถี่) ได้อย่างสมบูรณ์แบบ และคาดว่าจะกลายเป็นอุปกรณ์หลักของเทคโนโลยีการสื่อสารเคลื่อนที่ยุคหน้า
ในอนาคต นวัตกรรมของวัสดุเลเซอร์และเทคโนโลยีการประมวลผลจะส่งเสริมการบีบอัดความกว้างของเส้นเลเซอร์ การปรับปรุงเสถียรภาพความถี่ การขยายช่วงความยาวคลื่น และการปรับปรุงพลังงานให้ดียิ่งขึ้น ปูทางไปสู่การสำรวจโลกที่ไม่รู้จักของมนุษย์