Technologie laser à faible largeur de raie, deuxième partie
En 1960, le premier laser rubis au monde était un laser à semi-conducteurs, caractérisé par une énergie de sortie élevée et une large bande spectrale. La structure spatiale unique des lasers à semi-conducteurs offre une grande flexibilité pour la conception de faisceaux à raie spectrale étroite. Actuellement, les principales méthodes mises en œuvre sont la méthode de la cavité courte, la méthode de la cavité annulaire unidirectionnelle, la méthode standard intracavité, la méthode de la cavité à mode pendule de torsion, la méthode du réseau de Bragg volumique et la méthode d'injection d'amorces.
La figure 7 montre la structure de plusieurs lasers à semi-conducteurs monomodes longitudinaux typiques.
La figure 7(a) illustre le principe de fonctionnement de la sélection d'un mode longitudinal unique basée sur l'étalon Fabry-Pérot (FP) intégré à la cavité. Le spectre de transmission à faible largeur de raie de l'étalon est utilisé pour augmenter l'atténuation des autres modes longitudinaux, permettant ainsi leur élimination lors de la compétition modale en raison de leur faible transmittance. On obtient ainsi un fonctionnement en mode longitudinal unique. De plus, une plage de réglage de la longueur d'onde de sortie peut être obtenue en contrôlant l'angle et la température de l'étalon FP et en modifiant l'intervalle entre les modes longitudinaux. Les figures 7(b) et (c) présentent respectivement l'oscillateur annulaire non planaire (NPRO) et la méthode de cavité à mode pendulaire de torsion utilisés pour obtenir une sortie en mode longitudinal unique. Le principe de fonctionnement consiste à faire se propager le faisceau dans une seule direction au sein du résonateur, éliminant ainsi la distribution spatiale non uniforme du nombre de particules inversées présente dans une cavité à ondes stationnaires classique. On évite ainsi l'influence de l'effet de saturation spatiale et on obtient une sortie en mode longitudinal unique. Le principe de la sélection de mode par réseau de Bragg en volume (VBG) est similaire à celui des lasers à largeur de raie étroite à semi-conducteurs et à fibres mentionnés précédemment, c'est-à-dire qu'en utilisant le VBG comme élément de filtre, sur la base de sa bonne sélectivité spectrale et de sa sélectivité angulaire, l'oscillateur oscille à une longueur d'onde ou une bande spécifique pour réaliser le rôle de sélection de mode longitudinal, comme illustré sur la figure 7(d).
Parallèlement, plusieurs méthodes de sélection de mode longitudinal peuvent être combinées selon les besoins pour améliorer la précision de la sélection de mode longitudinal, réduire davantage la largeur de raie, ou augmenter l'intensité de la compétition de mode en introduisant une transformation de fréquence non linéaire et d'autres moyens, et élargir la longueur d'onde de sortie du laser tout en fonctionnant dans une largeur de raie étroite, ce qui est difficile à réaliser pourlaser à semi-conducteuretlasers à fibre.
(4) Laser Brillouin
Le laser Brillouin est basé sur l'effet de diffusion Brillouin stimulée (SBS) pour obtenir une technologie de sortie à faible bruit et à largeur de raie étroite. Son principe repose sur l'interaction entre le photon et le champ acoustique interne pour produire un certain décalage de fréquence des photons Stokes, et est continuellement amplifié dans la bande passante de gain.
La figure 8 montre le diagramme de niveaux de la conversion SBS et la structure de base du laser Brillouin.
En raison de la faible fréquence de vibration du champ acoustique, le décalage de fréquence Brillouin du matériau n'est généralement que de 0,1 à 2 cm⁻¹. Ainsi, avec un laser à 1064 nm comme source de pompage, la longueur d'onde Stokes générée est souvent d'environ 1064,01 nm seulement, ce qui signifie également que son rendement de conversion quantique est extrêmement élevé (jusqu'à 99,99 % en théorie). De plus, comme la largeur de raie du gain Brillouin du milieu est généralement de l'ordre du MHz au GHz (environ 10 MHz pour certains milieux solides), elle est bien inférieure à celle du fluide laser, de l'ordre de 100 GHz. Par conséquent, l'excitation Stokes dans le laser Brillouin présente un rétrécissement spectral significatif après amplification multiple dans la cavité, et sa largeur de raie de sortie est plusieurs ordres de grandeur plus étroite que celle de la source de pompage. Actuellement, le laser Brillouin est devenu un sujet de recherche très en vogue dans le domaine de la photonique, et de nombreux rapports ont été publiés sur des sorties à largeur de raie extrêmement étroite de l'ordre du Hz et du sub-Hz.
Ces dernières années, des dispositifs Brillouin à structure de guide d'ondes ont émergé dans le domaine dephotonique micro-ondesCes technologies évoluent rapidement vers la miniaturisation, l'intégration poussée et une résolution accrue. Par ailleurs, le laser Brillouin spatial, basé sur de nouveaux matériaux cristallins comme le diamant, a également suscité un vif intérêt ces deux dernières années. Son avancée majeure dans la structure du guide d'ondes et la réduction de l'effet Brillouin stimulé en cascade a permis d'atteindre une puissance de l'ordre de 10 W, ouvrant ainsi la voie à l'expansion de ses applications.
Jonction générale
Grâce à l'exploration continue des connaissances de pointe, les lasers à raie spectrale étroite sont devenus un outil indispensable dans la recherche scientifique grâce à leurs excellentes performances, comme par exemple l'interféromètre laser LIGO pour la détection des ondes gravitationnelles, qui utilise une fréquence unique à raie spectrale étroite.laserAvec une longueur d'onde de 1064 nm comme source d'amorçage, et une largeur de raie de la lumière d'amorçage inférieure à 5 kHz, les lasers à bande étroite, à longueur d'onde accordable et sans saut de mode présentent également un fort potentiel d'application, notamment dans les communications cohérentes. Ils répondent parfaitement aux exigences de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM) ou par répartition en fréquence (FDM) en matière d'accordabilité de la longueur d'onde (ou de la fréquence) et devraient devenir le composant central de la prochaine génération de technologies de communication mobile.
À l'avenir, l'innovation dans les matériaux laser et les technologies de traitement favorisera davantage la compression de la largeur de raie laser, l'amélioration de la stabilité de fréquence, l'élargissement de la gamme de longueurs d'onde et l'amélioration de la puissance, ouvrant la voie à l'exploration humaine du monde inconnu.
Date de publication : 29 novembre 2023