Tecnologia Laser de Largura de Linha Estreita - Parte Dois
Em 1960, o primeiro laser de rubi do mundo era um laser de estado sólido, caracterizado por alta energia de saída e ampla cobertura de comprimento de onda. A estrutura espacial única do laser de estado sólido torna-o mais flexível no projeto de saída com largura de linha estreita. Atualmente, os principais métodos implementados incluem o método de cavidade curta, o método de cavidade em anel unidirecional, o método padrão intracavidade, o método de cavidade em modo de pêndulo de torção, o método de grade de Bragg volumétrica e o método de injeção de sementes.
A Figura 7 mostra a estrutura de vários lasers de estado sólido típicos de modo longitudinal único.
A Figura 7(a) mostra o princípio de funcionamento da seleção de modo longitudinal único baseado no padrão FP na cavidade, ou seja, o espectro de transmissão de largura de linha estreita do padrão é usado para aumentar a perda de outros modos longitudinais, de modo que esses outros modos sejam filtrados no processo de competição de modos devido à sua baixa transmitância, obtendo-se assim a operação em modo longitudinal único. Além disso, uma determinada faixa de sintonia de comprimento de onda pode ser obtida controlando-se o ângulo e a temperatura do padrão FP e alterando-se o intervalo do modo longitudinal. As Figuras 7(b) e (c) mostram o oscilador de anel não planar (NPRO) e o método da cavidade de modo de pêndulo torsional usados para obter uma saída de modo longitudinal único. O princípio de funcionamento consiste em fazer o feixe se propagar em uma única direção no ressonador, eliminando efetivamente a distribuição espacial desigual do número de partículas invertidas na cavidade de onda estacionária comum e, assim, evitando a influência do efeito de queima de buraco espacial para obter uma saída de modo longitudinal único. O princípio da seleção de modo de grade de Bragg em massa (VBG) é semelhante ao dos lasers semicondutores e de fibra de largura de linha estreita mencionados anteriormente, ou seja, usando VBG como um elemento de filtro, com base em sua boa seletividade espectral e seletividade angular, o oscilador oscila em um comprimento de onda ou banda específica para realizar o papel de seleção de modo longitudinal, conforme mostrado na Figura 7(d).
Ao mesmo tempo, vários métodos de seleção de modo longitudinal podem ser combinados de acordo com as necessidades para melhorar a precisão da seleção do modo longitudinal, estreitar ainda mais a largura de linha ou aumentar a intensidade da competição de modos introduzindo transformação de frequência não linear e outros meios, e expandir o comprimento de onda de saída do laser enquanto opera em uma largura de linha estreita, o que é difícil de fazer paralaser semicondutorelasers de fibra.
(4) Laser de Brillouin
O laser Brillouin baseia-se no efeito de espalhamento Brillouin estimulado (SBS) para obter uma tecnologia de saída com baixo ruído e largura de linha estreita. Seu princípio consiste em produzir, através da interação entre o fóton e o campo acústico interno, um certo deslocamento de frequência dos fótons de Stokes, que são continuamente amplificados dentro da largura de banda de ganho.
A Figura 8 mostra o diagrama de níveis da conversão SBS e a estrutura básica do laser Brillouin.
Devido à baixa frequência de vibração do campo acústico, o deslocamento de frequência de Brillouin do material é geralmente de apenas 0,1 a 2 cm⁻¹, portanto, com um laser de 1064 nm como luz de bombeamento, o comprimento de onda de Stokes gerado é frequentemente de apenas cerca de 1064,01 nm, mas isso também significa que sua eficiência de conversão quântica é extremamente alta (até 99,99% em teoria). Além disso, como a largura de linha de ganho de Brillouin do meio é geralmente da ordem de MHz a GHz (a largura de linha de ganho de Brillouin de alguns meios sólidos é de apenas cerca de 10 MHz), ela é muito menor que a largura de linha de ganho da substância de trabalho do laser, da ordem de 100 GHz. Assim, o Stokes excitado no laser de Brillouin pode apresentar um fenômeno de estreitamento espectral evidente após múltiplas amplificações na cavidade, e sua largura de linha de saída é várias ordens de magnitude menor que a largura de linha do bombeamento. Atualmente, o laser Brillouin tornou-se um tema de pesquisa de grande interesse no campo da fotônica, e já existem muitos relatos sobre a emissão de linhas espectrais extremamente estreitas na ordem de Hz e sub-Hz.
Nos últimos anos, dispositivos Brillouin com estrutura de guia de ondas têm surgido no campo da...fotônica de micro-ondase estão se desenvolvendo rapidamente na direção da miniaturização, alta integração e maior resolução. Além disso, o laser Brillouin espacial baseado em novos materiais cristalinos, como o diamante, também entrou no radar nos últimos dois anos, com seu avanço inovador na potência da estrutura do guia de ondas e no gargalo do SBS em cascata, elevando a potência do laser Brillouin para a ordem de 10 W, estabelecendo as bases para a expansão de suas aplicações.
Junção geral
Com a contínua exploração de conhecimentos de ponta, os lasers de linha espectral estreita tornaram-se uma ferramenta indispensável na pesquisa científica devido ao seu excelente desempenho, como o interferômetro a laser LIGO para detecção de ondas gravitacionais, que utiliza um laser de linha espectral estreita de frequência única.laserCom um comprimento de onda de 1064 nm como fonte de sinal, a largura de linha da luz de sinal está dentro de 5 kHz. Além disso, lasers de largura estreita com comprimento de onda ajustável e sem salto de modo também apresentam grande potencial de aplicação, especialmente em comunicações coerentes, podendo atender perfeitamente às necessidades de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) ou multiplexação por divisão de frequência (FDM) para ajuste de comprimento de onda (ou frequência), e espera-se que se tornem o dispositivo central da próxima geração de tecnologia de comunicação móvel.
No futuro, a inovação em materiais a laser e tecnologia de processamento promoverá ainda mais a compressão da largura de linha do laser, a melhoria da estabilidade da frequência, a expansão da faixa de comprimento de onda e o aumento da potência, abrindo caminho para a exploração humana do mundo desconhecido.
Data da publicação: 29/11/2023