¿Conoce la tecnología láser de ancho de línea estrecho?

¿En qué piensas cuando piensas en láseres? A  espada láser empuñada por el General Grievous en Star Wars? ¿O uno de esos canales láser mortales de Resident Evil? ¿O los ojos láser de Scott de X-Men que podrían quemarlo todo? Estos "láseres", como se les conoce, suelen aparecer en algunas obras de ciencia ficción en forma de alta potencia y alta energía, mostrando una gran potencia (ver Figura 1).

En la vida real, los láseres también se han infiltrado en muchas industrias, desde campos médicos como la cosmetología láser y el tratamiento de la miopía hasta campos de fabricación industrial como el marcado, corte y soldadura con láser, así como campos científicos de vanguardia como la detección por radar, microscopía. imágenes y comunicación cuántica que han surgido en los últimos años. En la actualidad, la tecnología láser ha realizado contribuciones sobresalientes para promover el desarrollo de la seguridad de la defensa nacional, la biomedicina, la fabricación inteligente y la información.

Sin embargo, ¿los láseres que todos necesitamos deben tener alta potencia y gran "letalidad" como se muestra en la película?

En primer lugar, tenemos que fijarnos en las características básicas del láser diferentes de la fuente de luz tradicional, como se muestra en la Figura 2, mencionamos anteriormente en los trabajos de cine y televisión, el láser tiene características potentes, generalmente proporcionales al brillo (potencia ) del láser, pero también refleja que el láser tiene buenas características direccionales.

Además, la monocromaticidad y la coherencia también son el foco de atención. La luz emitida por la fuente de luz ordinaria suele tener una frecuencia diferente, por lo que contiene una variedad de colores, y los diversos fotones emitidos por el láser tienen la misma frecuencia, por lo que es una excelente fuente de luz monocromática. No solo eso, debido a que los fotones de radiación excitados del láser son consistentes en fase, existe una relación de fase fija entre los puntos en la sección transversal del rayo láser bajo la acción del resonador, por lo que en comparación con la fuente de luz ordinaria, la coherencia del láser también es excelente. En combinación con las excelentes características de monocromaticidad y coherencia del láser, incluso si no hay un "halo" de alta potencia de kilovatios y 10,000 vatios, los láseres aún pueden usarse ampliamente en tecnología espectral, medición óptica y otros campos.

Características del láser diferentes de las fuentes de luz tradicionales

Hoy, presentaremos un láser "monocromático" al extremo: láser de ancho de línea estrecho. Su aparición llena los vacíos en muchos campos de aplicación del láser, y en los últimos años ha sido ampliamente utilizado en la detección de ondas gravitacionales, liDAR, detección distribuida, comunicación óptica coherente de alta velocidad y otros campos, que es una "misión" que no puede completarse solo mejorando la potencia del láser.

Realización y aplicación de láser de ancho de línea estrecho

Limitado por el ancho de línea de ganancia inherente de la sustancia de trabajo del láser, es casi imposible realizar directamente la salida del láser de ancho de línea estrecho confiando en el propio oscilador tradicional. Para realizar la operación del láser de ancho de línea estrecho, generalmente es necesario usar filtros, rejillas y otros dispositivos para limitar o seleccionar el módulo longitudinal en el espectro de ganancia y aumentar la diferencia de ganancia neta entre los modos longitudinales, de modo que haya unas pocas o incluso sólo una oscilación de modo longitudinal en el resonador láser. En este proceso, a menudo es necesario controlar la influencia del ruido en la salida del láser y minimizar la ampliación de las líneas espectrales causada por la vibración y los cambios de temperatura del entorno externo; Al mismo tiempo, también se puede combinar con el análisis de la densidad espectral del ruido de fase o frecuencia para comprender la fuente del ruido y optimizar el diseño del láser, a fin de lograr una salida estable del láser de ancho de línea estrecho.

Echemos un vistazo a la realización de la operación de ancho de línea estrecho de varias categorías diferentes de láseres.

1) láser semiconductor

Los láseres de semiconductores tienen las ventajas de un tamaño compacto, alta eficiencia, larga vida útil y beneficios económicos.

El resonador óptico Fabry-Perot (FP) utilizado en los láseres semiconductores tradicionales generalmente oscila en modo multilongitudinal y el ancho de la línea de salida es relativamente amplio, por lo que es necesario aumentar la retroalimentación óptica para obtener una salida de ancho de línea estrecho.

La retroalimentación distribuida (DFB) y la reflexión de Bragg distribuida (DBR) son dos láseres semiconductores de retroalimentación óptica internos típicos. Sus estructuras y espectros de salida se muestran en la FIG. 5. Debido al paso de rejilla pequeño y la buena selectividad de longitud de onda, es fácil lograr una salida estable de ancho de línea estrecho de frecuencia única. La principal diferencia entre las dos estructuras es la posición de la rejilla: la estructura DFB generalmente distribuye la estructura periódica de la rejilla de Bragg en todo el resonador, y el resonador del DBR generalmente se compone de la estructura de rejilla de reflexión y la región de ganancia integrada en la superficie final. Además, los láseres DFB utilizan rejillas incrustadas con bajo contraste de índice de refracción y baja reflectividad. Los láseres DBR utilizan rejillas de superficie con alto contraste de índice de refracción y alta reflectividad. Ambas estructuras tienen un amplio rango espectral libre y pueden realizar un ajuste de longitud de onda sin salto de modo en el rango de unos pocos nanómetros, donde el láser DBR tiene un rango de ajuste más amplio que el láser DFB.

Además, la tecnología de retroalimentación óptica de cavidad externa, que utiliza elementos ópticos externos para retroalimentar la luz saliente del chip láser semiconductor y seleccionar la frecuencia, también puede realizar la operación de ancho de línea estrecho del láser semiconductor.

2) láseres de fibra

Los láseres de fibra tienen una alta eficiencia de conversión de bombeo, buena calidad de haz y alta eficiencia de acoplamiento, que son temas de investigación candentes en el campo del láser. En el contexto de la era de la información, los láseres de fibra tienen una buena compatibilidad con los sistemas de comunicación de fibra óptica actuales del mercado. El láser de fibra de frecuencia única con las ventajas de ancho de línea estrecho, bajo ruido y buena coherencia se ha convertido en una de las direcciones importantes de su desarrollo.

La operación de modo longitudinal único es el núcleo del láser de fibra para lograr una salida de ancho de línea estrecho, generalmente de acuerdo con la estructura del resonador del láser de fibra de frecuencia única que se puede dividir en tipo DFB, tipo DBR y tipo de anillo. Entre ellos, el principio de funcionamiento de los láseres de fibra de frecuencia única DFB y DBR es similar al de los láseres semiconductores DFB y DBR.

El láser de fibra DFB es escribir la rejilla de Bragg distribuida en la fibra. Debido a que la longitud de onda de trabajo del oscilador se ve afectada por el período de la fibra, el modo longitudinal puede seleccionarse mediante la retroalimentación distribuida de la red. El resonador láser del láser DBR generalmente está formado por un par de rejillas de Bragg de fibra, y el modo longitudinal único se selecciona principalmente por las rejillas de Bragg de fibra de baja reflectividad y banda estrecha. Sin embargo, debido a su resonador largo, estructura compleja y falta de un mecanismo efectivo de discriminación de frecuencia, la cavidad en forma de anillo es propensa a saltos de modo y es difícil trabajar de manera estable en modo longitudinal constante durante mucho tiempo.

3) láser de estado sólido

En 1960, el primer láser de rubí del mundo fue un láser de estado sólido, caracterizado por una alta energía de salida y una cobertura de longitud de onda más amplia. La estructura espacial única del láser de estado sólido lo hace más flexible en el diseño de salida de ancho de línea estrecho. En la actualidad, los principales métodos implementados incluyen el método de cavidad corta, el método de cavidad de anillo unidireccional, el método estándar de intracavidad, el método de cavidad de modo de péndulo de torsión, el método de rejilla de volumen de Bragg y el método de inyección de semillas.

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