Technologie laser à largeur de raie étroite, deuxième partie
En 1960, le premier laser à rubis au monde était un laser à solide, caractérisé par une énergie de sortie élevée et une couverture de longueur d'onde plus large. La structure spatiale unique du laser à solide lui confère une plus grande flexibilité pour la conception de sorties à faible largeur de raie. Actuellement, les principales méthodes utilisées 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 pendulaire de torsion, la méthode du réseau de Bragg volumique et la méthode d'injection de germes.
La figure 7 montre la structure de plusieurs lasers à semi-conducteurs à mode longitudinal unique typiques.
La figure 7(a) illustre le principe de fonctionnement de la sélection d'un mode longitudinal unique basé sur la norme FP en cavité. Autrement dit, le spectre de transmission étroit de la norme est utilisé pour augmenter la perte des autres modes longitudinaux. Ces derniers sont ainsi filtrés lors de la compétition de modes en raison de leur faible transmittance, ce qui permet d'obtenir un fonctionnement en mode longitudinal unique. De plus, une certaine plage de réglage de longueur d'onde peut être obtenue en contrôlant l'angle et la température de la norme FP et en modifiant l'intervalle de mode longitudinal. Les figures 7(b) et (c) illustrent l'oscillateur en anneau non plan (NPRO) et la méthode de cavité à mode pendulaire de torsion utilisés pour obtenir un mode longitudinal unique. Le principe consiste à propager le faisceau dans une seule direction dans le résonateur, ce qui élimine efficacement la distribution spatiale irrégulière du nombre de particules inversées dans la cavité à ondes stationnaires ordinaires et évite ainsi l'effet de brûlure de trous spatiaux pour obtenir un mode longitudinal unique. Le principe de sélection du mode de réseau de Bragg en vrac (VBG) est similaire à celui des lasers à semi-conducteurs et à fibre à largeur de ligne étroite mentionnés précédemment, c'est-à-dire qu'en utilisant VBG comme élément de filtre, en fonction 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 le montre la figure 7(d).
Dans le même temps, plusieurs méthodes de sélection de mode longitudinal peuvent être combinées en fonction des besoins pour améliorer la précision de la sélection du 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 étendre la longueur d'onde de sortie du laser tout en fonctionnant dans une largeur de raie étroite, ce qui est difficile à faire 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 ligne étroite, son principe est de produire, à travers le photon et l'interaction du champ acoustique interne, un certain décalage de fréquence des photons de Stokes, et est continuellement amplifié dans la bande passante de gain.
La figure 8 montre le diagramme de niveau de conversion SBS et la structure de base du laser Brillouin.
Français 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 lumière de pompage, la longueur d'onde de Stokes générée n'est souvent que d'environ 1064,01 nm, mais cela signifie également que son efficacité de conversion quantique est extrêmement élevée (jusqu'à 99,99 % en théorie). De plus, comme la largeur de raie de gain Brillouin du milieu n'est généralement que de l'ordre de MHz-GHz (la largeur de raie de gain Brillouin de certains milieux solides n'est que d'environ 10 MHz), elle est bien inférieure à la largeur de raie de gain du matériau de travail laser de l'ordre de 100 GHz. Ainsi, le Stokes excité dans le laser Brillouin peut présenter un phénomène évident de rétrécissement du spectre après amplification multiple dans la cavité, et sa largeur de raie de sortie est de plusieurs ordres de grandeur plus étroite que la largeur de raie de pompage. À l'heure actuelle, le laser Brillouin est devenu un point névralgique de la recherche dans le domaine de la photonique, et de nombreux rapports ont été publiés sur l'ordre Hz et sous-Hz de la largeur de ligne de sortie extrêmement étroite.
Ces dernières années, des dispositifs Brillouin à structure de guide d'ondes ont émergé dans le domaine dephotonique micro-ondes, et évoluent rapidement vers la miniaturisation, une intégration poussée et une résolution plus élevée. De plus, le laser Brillouin spatial basé sur de nouveaux matériaux cristallins tels que le diamant est également entré dans l'imaginaire collectif ces deux dernières années. Sa percée innovante dans la puissance de la structure du guide d'ondes et le goulot d'étranglement SBS en cascade, portant la puissance du laser Brillouin à 10 W, jette les bases d'un développement de ses applications.
Jonction générale
Avec l'exploration continue des connaissances de pointe, les lasers à largeur de raie étroite sont devenus un outil indispensable dans la recherche scientifique avec leurs excellentes performances, comme l'interféromètre laser LIGO pour la détection des ondes gravitationnelles, qui utilise une largeur de raie étroite à fréquence uniquelaserAvec une longueur d'onde de 1064 nm comme source d'amorçage, la largeur de raie de la lumière d'amorçage est inférieure à 5 kHz. De plus, les lasers à faible largeur d'onde, accordables en longueur d'onde et sans saut de mode, présentent également un fort potentiel d'application, notamment dans les communications cohérentes. Ils répondent parfaitement aux exigences du multiplexage en longueur d'onde (WDM) ou en fréquence (FDM) pour l'accordabilité en longueur d'onde (ou en fréquence), et devraient devenir le dispositif central de la prochaine génération de technologies de communication mobile.
À l'avenir, l'innovation des matériaux laser et de la technologie de traitement favorisera davantage la compression de la largeur de ligne laser, l'amélioration de la stabilité de fréquence, l'expansion 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