เทคโนโลยีเลเซอร์เส้นแคบ ตอนที่สอง
ในปี 1960 เลเซอร์ทับทิมเครื่องแรกของโลกเป็นเลเซอร์โซลิดสเตท ซึ่งมีลักษณะเด่นคือพลังงานเอาต์พุตสูงและช่วงความยาวคลื่นกว้าง โครงสร้างเชิงพื้นที่ที่เป็นเอกลักษณ์ของเลเซอร์โซลิดสเตททำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการออกแบบเอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ ปัจจุบัน วิธีการหลักที่นำมาใช้ ได้แก่ วิธีโพรงสั้น วิธีโพรงวงแหวนทางเดียว วิธีมาตรฐานภายในโพรง วิธีโพรงโหมดลูกตุ้มบิด วิธีการใช้เกรตติ้งแบร็กปริมาตร และวิธีการฉีดเมล็ดพันธุ์
ภาพที่ 7 แสดงโครงสร้างของเลเซอร์โซลิดสเตทแบบโหมดตามยาวเดี่ยวทั่วไปหลายชนิด
รูปที่ 7(a) แสดงหลักการทำงานของการเลือกโหมดตามยาวเดี่ยวโดยใช้มาตรฐาน FP ภายในโพรง ซึ่งก็คือ สเปกตรัมการส่งผ่านความกว้างเส้นแคบของมาตรฐานจะถูกใช้เพื่อเพิ่มการสูญเสียของโหมดตามยาวอื่นๆ ดังนั้นโหมดตามยาวอื่นๆ จะถูกกรองออกไปในกระบวนการแข่งขันของโหมดเนื่องจากการส่งผ่านที่น้อย เพื่อให้ได้การทำงานในโหมดตามยาวเดี่ยว นอกจากนี้ ยังสามารถปรับความยาวคลื่นในช่วงที่กำหนดได้โดยการควบคุมมุมและอุณหภูมิของมาตรฐาน FP และเปลี่ยนช่วงของโหมดตามยาว รูปที่ 7(b) และ (c) แสดงออสซิลเลเตอร์แบบวงแหวนที่ไม่เป็นระนาบ (NPRO) และวิธีการโพรงโหมดลูกตุ้มบิดที่ใช้เพื่อให้ได้เอาต์พุตโหมดตามยาวเดี่ยว หลักการทำงานคือการทำให้ลำแสงแพร่กระจายไปในทิศทางเดียวในเรโซเนเตอร์ ซึ่งจะช่วยขจัดปัญหาการกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมอของจำนวนอนุภาคย้อนกลับในโพรงคลื่นนิ่งทั่วไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงอิทธิพลของปรากฏการณ์การเผาไหม้ของรูในอวกาศเพื่อให้ได้เอาต์พุตโหมดตามยาวเพียงโหมดเดียว หลักการของการเลือกโหมดด้วยเกรตติ้งแบร็กแบบปริมาตร (VBG) นั้นคล้ายคลึงกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และไฟเบอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ กล่าวคือ การใช้ VBG เป็นองค์ประกอบตัวกรอง โดยอาศัยความสามารถในการเลือกสเปกตรัมและการเลือกมุมที่ดี ทำให้ออสซิลเลเตอร์สั่นที่ความยาวคลื่นหรือแถบเฉพาะเพื่อให้ได้บทบาทของการเลือกโหมดตามยาว ดังแสดงในรูปที่ 7(d)
ในขณะเดียวกัน สามารถนำวิธีการเลือกโหมดตามแนวยาวหลายวิธีมาผสมผสานกันได้ตามความต้องการ เพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการเลือกโหมดตามแนวยาว ลดความกว้างของเส้นสเปกตรัมให้แคบลง หรือเพิ่มความเข้มของการแข่งขันโหมดโดยการแนะนำการแปลงความถี่แบบไม่เชิงเส้นและวิธีการอื่นๆ และขยายความยาวคลื่นเอาต์พุตของเลเซอร์ในขณะที่ทำงานในความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่แคบ ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำได้ยากสำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเลเซอร์ไฟเบอร์.
(4) เลเซอร์บริลลูอิน
เลเซอร์บริลลูอินเป็นเทคโนโลยีที่ใช้หลักการของปรากฏการณ์การกระเจิงบริลลูอินแบบกระตุ้น (SBS) เพื่อให้ได้สัญญาณรบกวนต่ำและแถบความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ โดยหลักการคือ การปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนและสนามเสียงภายในจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความถี่ของโฟตอนสโตกส์ และขยายสัญญาณอย่างต่อเนื่องภายในแบนด์วิดท์การขยาย
รูปที่ 8 แสดงแผนภาพระดับการแปลง SBS และโครงสร้างพื้นฐานของเลเซอร์บริลลูอิน
เนื่องจากความถี่การสั่นสะเทือนต่ำของสนามเสียง การเปลี่ยนแปลงความถี่บริลลูอินของวัสดุจึงมักอยู่ที่เพียง 0.1-2 cm-1 เท่านั้น ดังนั้นเมื่อใช้เลเซอร์ 1064 nm เป็นแสงกระตุ้น ความยาวคลื่นสโตกส์ที่เกิดขึ้นจึงมักอยู่ที่ประมาณ 1064.01 nm เท่านั้น แต่ก็หมายความว่าประสิทธิภาพการแปลงควอนตัมสูงมาก (สูงถึง 99.99% ในทางทฤษฎี) นอกจากนี้ เนื่องจากความกว้างของเส้นสเปกตรัมการขยายบริลลูอินของตัวกลางมักอยู่ในระดับ MHZ-GHz เท่านั้น (ความกว้างของเส้นสเปกตรัมการขยายบริลลูอินของตัวกลางของแข็งบางชนิดอยู่ที่ประมาณ 10 MHz เท่านั้น) ซึ่งน้อยกว่าความกว้างของเส้นสเปกตรัมการขยายของสารทำงานของเลเซอร์ซึ่งอยู่ในระดับ 100 GHz มาก ดังนั้น สโตกส์ที่ถูกกระตุ้นในเลเซอร์บริลลูอินจึงแสดงปรากฏการณ์การแคบลงของสเปกตรัมอย่างชัดเจนหลังจากการขยายหลายครั้งในโพรง และความกว้างของเส้นสเปกตรัมเอาต์พุตจะแคบกว่าความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแสงกระตุ้นหลายลำดับ ในปัจจุบัน เลเซอร์บริลลูอินได้กลายเป็นหัวข้อวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากในสาขาโฟโตนิกส์ และมีรายงานมากมายเกี่ยวกับการสร้างเอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบมากในระดับเฮิรตซ์และต่ำกว่าเฮิรตซ์
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุปกรณ์บริลลูอินที่มีโครงสร้างแบบท่อนำคลื่นได้ปรากฏขึ้นในสาขานี้ไมโครเวฟโฟโตนิกส์และกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วไปในทิศทางของการย่อขนาด การรวมวงจรระดับสูง และความละเอียดสูงขึ้น นอกจากนี้ เลเซอร์บริลลูอินสำหรับใช้งานในอวกาศซึ่งใช้ผลึกวัสดุใหม่ เช่น เพชร ก็ได้เข้ามาอยู่ในความสนใจของผู้คนในช่วงสองปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าทางนวัตกรรมในด้านโครงสร้างตัวนำคลื่นและการแก้ปัญหาคอขวดของ SBS แบบเรียงลำดับ ทำให้กำลังของเลเซอร์บริลลูอินสูงถึงระดับ 10 วัตต์ ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับการขยายการใช้งานต่อไป
จุดเชื่อมต่อทั่วไป
ด้วยการค้นคว้าวิจัยอย่างต่อเนื่องในด้านองค์ความรู้ล้ำสมัย เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบจึงกลายเป็นเครื่องมือที่ขาดไม่ได้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม เช่น เครื่องวัดการรบกวนของแสงเลเซอร์ LIGO สำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ซึ่งใช้เลเซอร์ความถี่เดียวที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบเลเซอร์โดยใช้ความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตรเป็นแหล่งกำเนิดแสงเริ่มต้น และความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแสงเริ่มต้นอยู่ในช่วง 5 กิโลเฮิร์ตซ์ นอกจากนี้ เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ สามารถปรับความยาวคลื่นได้ และไม่มีการกระโดดของโหมด ยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการใช้งานที่ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสื่อสารแบบโคherent ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น (WDM) หรือการมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความถี่ (FDM) สำหรับการปรับความยาวคลื่น (หรือความถี่) ได้อย่างสมบูรณ์แบบ และคาดว่าจะกลายเป็นอุปกรณ์หลักของเทคโนโลยีการสื่อสารเคลื่อนที่ยุคต่อไป
ในอนาคต นวัตกรรมด้านวัสดุเลเซอร์และเทคโนโลยีการประมวลผลจะช่วยส่งเสริมการบีบอัดความกว้างของเส้นสเปกตรัมเลเซอร์ การปรับปรุงเสถียรภาพของความถี่ การขยายช่วงความยาวคลื่น และการเพิ่มกำลัง ซึ่งจะปูทางไปสู่การสำรวจโลกที่ไม่รู้จักของมนุษย์
วันที่โพสต์: 29 พฤศจิกายน 2023