เทคโนโลยีเลเซอร์เส้นแคบ ตอนที่ 2

เทคโนโลยีเลเซอร์เส้นแคบ ตอนที่ 2

(3)เลเซอร์โซลิดสเตต

ในปี 1960 เลเซอร์ทับทิมตัวแรกของโลกเป็นเลเซอร์โซลิดสเตต ซึ่งมีลักษณะเด่นคือมีพลังงานเอาต์พุตสูงและครอบคลุมความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น โครงสร้างเชิงพื้นที่เฉพาะของเลเซอร์โซลิดสเตตทำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการออกแบบเอาต์พุตเส้นความกว้างที่แคบ ปัจจุบัน วิธีหลักที่นำมาใช้ ได้แก่ วิธีโพรงสั้น วิธีโพรงวงแหวนทางเดียว วิธีมาตรฐานภายในโพรง วิธีโพรงแบบลูกตุ้มบิด วิธีการกริดบรากก์แบบปริมาตร และวิธีการฉีดเมล็ดพืช

รูปที่ 7 แสดงโครงสร้างของเลเซอร์โซลิดสเตตโหมดตามยาวเดี่ยวแบบทั่วไปหลายตัว

รูปที่ 7(a) แสดงหลักการทำงานของการเลือกโหมดตามยาวเดี่ยวตามมาตรฐาน FP ในโพรง นั่นคือ สเปกตรัมการส่งผ่านความกว้างของเส้นแคบของมาตรฐานจะใช้เพื่อเพิ่มการสูญเสียของโหมดตามยาวอื่นๆ ดังนั้น โหมดตามยาวอื่นๆ จะถูกกรองออกในกระบวนการแข่งขันโหมดเนื่องจากการส่งผ่านที่น้อย เพื่อให้บรรลุการทำงานของโหมดตามยาวเดี่ยว นอกจากนี้ สามารถรับช่วงเอาต์พุตการปรับความยาวคลื่นบางช่วงได้โดยการควบคุมมุมและอุณหภูมิของมาตรฐาน FP และการเปลี่ยนช่วงโหมดตามยาว รูปที่ 7(b) และ (c) แสดงออสซิลเลเตอร์วงแหวนที่ไม่เป็นระนาบ (NPRO) และวิธีการโพรงโหมดลูกตุ้มบิดที่ใช้เพื่อให้ได้เอาต์พุตโหมดตามยาวเดี่ยว หลักการทำงานคือการทำให้ลำแสงแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวในเรโซเนเตอร์ กำจัดการกระจายเชิงพื้นที่ที่ไม่สม่ำเสมอของจำนวนอนุภาคที่กลับด้านในช่องคลื่นนิ่งธรรมดาได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงอิทธิพลของเอฟเฟกต์การเผาไหม้ของรูเชิงพื้นที่เพื่อให้ได้เอาต์พุตโหมดตามยาวเพียงโหมดเดียว หลักการของการเลือกโหมดของกริดแบร็กก์จำนวนมาก (VBG) นั้นคล้ายกับเลเซอร์ความกว้างเส้นแคบของเซมิคอนดักเตอร์และไฟเบอร์ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ นั่นคือ การใช้ VBG เป็นองค์ประกอบตัวกรอง โดยอิงจากการเลือกสเปกตรัมที่ดีและการเลือกมุม ออสซิลเลเตอร์จะแกว่งที่ความยาวคลื่นหรือแถบเฉพาะเพื่อให้ได้บทบาทของการเลือกโหมดตามยาว ดังที่แสดงในรูปที่ 7(d)
ในเวลาเดียวกัน วิธีการเลือกโหมดตามยาวหลายวิธีสามารถรวมกันได้ตามความต้องการเพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการเลือกโหมดตามยาว ลดความกว้างของเส้นให้แคบลงอีก หรือเพิ่มความเข้มข้นของการแข่งขันโหมดโดยการนำการแปลงความถี่แบบไม่เชิงเส้นและวิธีการอื่นมาใช้ และขยายความยาวคลื่นเอาต์พุตของเลเซอร์ในขณะที่ทำงานในความกว้างของเส้นที่แคบ ซึ่งทำได้ยากเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และไฟเบอร์เลเซอร์.

(4) เลเซอร์บริลลูอิน

เลเซอร์บริลลูอินใช้หลักการกระตุ้นเอฟเฟกต์การกระเจิงบริลลูอิน (SBS) เพื่อให้ได้เทคโนโลยีเอาต์พุตเส้นความกว้างแคบและมีสัญญาณรบกวนต่ำ หลักการคือ การใช้โฟตอนและสนามเสียงภายในร่วมกันเพื่อสร้างการเลื่อนความถี่ของโฟตอนสโตกส์ และจะขยายอย่างต่อเนื่องภายในแบนด์วิดท์ของเกน

รูปที่ 8 แสดงแผนภาพระดับของการแปลง SBS และโครงสร้างพื้นฐานของเลเซอร์ Brillouin

เนื่องจากความถี่การสั่นสะเทือนต่ำของสนามเสียง การเลื่อนความถี่ของบริลลูอินของวัสดุจึงมักอยู่ที่ 0.1-2 ซม. -1 เท่านั้น ดังนั้นเมื่อใช้เลเซอร์ 1064 นาโนเมตรเป็นแสงปั๊ม ความยาวคลื่นสโตกส์ที่เกิดขึ้นมักจะอยู่ที่ประมาณ 1064.01 นาโนเมตรเท่านั้น แต่ยังหมายถึงประสิทธิภาพการแปลงควอนตัมที่สูงมาก (สูงถึง 99.99% ในทางทฤษฎี) นอกจากนี้ เนื่องจากความกว้างของเส้นเกนบริลลูอินของตัวกลางมักจะอยู่ที่ระดับ MHZ-ghz เท่านั้น (ความกว้างของเส้นเกนบริลลูอินของตัวกลางที่เป็นของแข็งบางชนิดอยู่ที่เพียง 10 MHz เท่านั้น) จึงน้อยกว่าความกว้างของเส้นเกนของสารทำงานเลเซอร์ที่อยู่ในระดับ 100 GHz มาก ดังนั้น สโตกส์ที่กระตุ้นในเลเซอร์บริลลูอินจึงสามารถแสดงปรากฏการณ์การแคบของสเปกตรัมที่ชัดเจนหลังจากการขยายหลายครั้งในโพรง และความกว้างของเส้นเอาต์พุตจะแคบกว่าความกว้างของเส้นปั๊มหลายเท่า ปัจจุบัน เลเซอร์ Brillouin ได้กลายเป็นจุดศูนย์กลางการวิจัยในสาขาโฟโตนิกส์ และมีรายงานมากมายเกี่ยวกับลำดับเฮิรตซ์และย่อยเฮิรตซ์ของเอาต์พุตเส้นความกว้างที่แคบมาก

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุปกรณ์ Brillouin ที่มีโครงสร้างท่อนำคลื่นได้ปรากฏขึ้นในสาขาโฟโตนิกส์ไมโครเวฟและกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วในทิศทางของการย่อส่วน การผสานรวมสูง และความละเอียดที่สูงขึ้น นอกจากนี้ เลเซอร์ Brillouin ที่วิ่งในอวกาศซึ่งใช้คริสตัลวัสดุใหม่ เช่น เพชร ก็ได้เข้ามาอยู่ในสายตาของผู้คนในช่วงสองปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าทางนวัตกรรมในด้านพลังของโครงสร้างท่อนำคลื่นและคอขวด SBS แบบคาสเคด พลังของเลเซอร์ Brillouin ถึงขนาด 10 W ช่วยวางรากฐานสำหรับการขยายการใช้งาน
จุดเชื่อมต่อทั่วไป
ด้วยการสำรวจความรู้ที่ทันสมัยอย่างต่อเนื่อง เลเซอร์เส้นแคบจึงกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม เช่น อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เลเซอร์ LIGO สำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งใช้เส้นแคบความถี่เดียวเลเซอร์โดยมีความยาวคลื่น 1,064 นาโนเมตรเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณ และความกว้างของเส้นแสงของสัญญาณอยู่ภายใน 5 kHz นอกจากนี้ เลเซอร์ที่มีความกว้างแคบที่ปรับความยาวคลื่นได้และไม่มีการกระโดดโหมดยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้งานที่ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสื่อสารแบบสอดประสาน ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของการแบ่งความยาวคลื่นแบบมัลติเพล็กซ์ (WDM) หรือการแบ่งความถี่แบบมัลติเพล็กซ์ (FDM) เพื่อการปรับความยาวคลื่น (หรือความถี่) ได้อย่างสมบูรณ์แบบ และคาดว่าจะกลายมาเป็นอุปกรณ์หลักของเทคโนโลยีการสื่อสารเคลื่อนที่รุ่นต่อไป
ในอนาคต นวัตกรรมด้านวัสดุเลเซอร์และเทคโนโลยีการประมวลผลจะส่งเสริมการบีบอัดความกว้างของเส้นเลเซอร์ การปรับปรุงเสถียรภาพความถี่ การขยายช่วงความยาวคลื่น และการปรับปรุงพลังงานต่อไป เป็นการปูทางให้กับการสำรวจโลกที่ไม่รู้จักของมนุษย์