Kennen Sie die Lasertechnologie mit schmaler Linienbreite?

Woran denken Sie, wenn Sie an Laser denken? A  Laserschwert geschwungen von General Grievous in Star Wars? Oder einer dieser tödlichen Laserkanäle aus Resident Evil? Oder Scotts Laseraugen aus X-Men, die alles verbrennen könnten? Diese sogenannten „Laser“ erscheinen in manchen Science-Fiction-Werken oft in Form von Hochleistungs- und Hochenergielasern, die große Leistung zeigen (siehe Abbildung 1).

Im wirklichen Leben haben sich Laser auch in viele Branchen eingeschlichen, von medizinischen Bereichen wie Laserkosmetik und Myopiebehandlung über industrielle Fertigungsbereiche wie Laserbeschriftung, -schneiden und -schweißen bis hin zu hochmodernen wissenschaftlichen Bereichen wie Radarerkennung und Mikroskopie Bildgebung und Quantenkommunikation, die in den letzten Jahren entstanden sind. Gegenwärtig hat die Lasertechnologie herausragende Beiträge zur Förderung der Entwicklung der nationalen Verteidigungssicherheit, der Biomedizin, der intelligenten Fertigung und der Information geleistet.

Aber müssen die Laser, die wir brauchen, alle eine hohe Leistung und große „Tödlichkeit“ haben, wie im Film gezeigt?

Zunächst müssen wir uns die grundlegenden Eigenschaften des Lasers ansehen, der sich von der herkömmlichen Lichtquelle unterscheidet, wie in Abbildung 2 dargestellt. Wir haben bereits in den Film- und Fernseharbeiten erwähnt, dass der Laser leistungsstarke Eigenschaften hat, die normalerweise proportional zur Helligkeit (Leistung) sind ) des Lasers, reflektiert aber auch den Laser und weist eine gute Richtcharakteristik auf.

Darüber hinaus stehen auch Monochromie und Kohärenz im Fokus. Das von einer gewöhnlichen Lichtquelle emittierte Licht weist normalerweise eine unterschiedliche Frequenz auf, sodass es verschiedene Farben enthält, und die verschiedenen vom Laser emittierten Photonen haben dieselbe Frequenz, sodass es sich um eine sehr ausgezeichnete monochromatische Lichtquelle handelt. Da die angeregten Strahlungsphotonen des Lasers nicht nur phasengleich sind, besteht zwischen den Punkten auf dem Querschnitt des Laserstrahls unter der Wirkung des Resonators eine feste Phasenbeziehung, also im Vergleich zur gewöhnlichen Lichtquelle die Kohärenz des Lasers ist ebenfalls hervorragend. In Kombination mit den hervorragenden Monochromatizitäts- und Kohärenzeigenschaften des Lasers können Laser auch dann in großem Umfang in der Spektraltechnik, der optischen Messung und anderen Bereichen eingesetzt werden, selbst wenn es keinen Hochleistungs-„Halo“ von Kilowatt und 10,{2}} Watt gibt.

Eigenschaften des Lasers, die sich von denen herkömmlicher Lichtquellen unterscheiden

Heute stellen wir einen extrem „monochromatischen“ Laser vor – einen Laser mit schmaler Linienbreite. Seine Entstehung füllt die Lücken in vielen Anwendungsbereichen von Lasern und wurde in den letzten Jahren in großem Umfang in der Gravitationswellendetektion, LiDAR, verteilten Sensorik, kohärenten optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation und anderen Bereichen eingesetzt, was eine „Mission“ darstellt, die nicht möglich ist kann nur durch eine Verbesserung der Laserleistung erreicht werden.

Realisierung und Anwendung eines Lasers mit schmaler Linienbreite

Aufgrund der inhärenten Verstärkungslinienbreite der Arbeitssubstanz des Lasers ist es fast unmöglich, die Leistung des Lasers mit schmaler Linienbreite direkt zu realisieren, indem man sich auf den herkömmlichen Oszillator selbst verlässt. Um den Betrieb eines Lasers mit schmaler Linienbreite zu realisieren, ist es normalerweise notwendig, Filter, Gitter und andere Geräte zu verwenden, um den Longitudinalmodul im Verstärkungsspektrum zu begrenzen oder auszuwählen und die Nettoverstärkungsdifferenz zwischen den Longitudinalmoden zu erhöhen, sodass es solche gibt wenige oder sogar nur eine longitudinale Modenschwingung im Laserresonator. Bei diesem Prozess ist es oft notwendig, den Einfluss von Rauschen auf die Laserleistung zu kontrollieren und die Verbreiterung der Spektrallinien, die durch Vibrationen und Temperaturänderungen der äußeren Umgebung verursacht wird, zu minimieren; Gleichzeitig kann es auch mit der Analyse der spektralen Dichte des Phasen- oder Frequenzrauschens kombiniert werden, um die Rauschquelle zu verstehen und das Design des Lasers zu optimieren, um so eine stabile Ausgabe des Lasers mit schmaler Linienbreite zu erreichen.

Werfen wir einen Blick auf die Realisierung des schmalen Linienbreitenbetriebs verschiedener Laserkategorien.

1) Halbleiterlaser

Halbleiterlaser zeichnen sich durch kompakte Größe, hohe Effizienz, lange Lebensdauer und wirtschaftliche Vorteile aus.

Der in herkömmlichen Halbleiterlasern verwendete optische Fabry-Perot (FP)-Resonator schwingt im Allgemeinen im Multi-Longitudinal-Modus und die Ausgangslinienbreite ist relativ groß. Daher muss die optische Rückkopplung erhöht werden, um eine Ausgabe mit schmaler Linienbreite zu erhalten.

Verteilte Rückkopplung (DFB) und verteilte Bragg-Reflexion (DBR) sind zwei typische Halbleiterlaser mit interner optischer Rückkopplung. Ihre Strukturen und Ausgangsspektren sind in Abb. 1 dargestellt. 5. Aufgrund des kleinen Gitterabstands und der guten Wellenlängenselektivität ist es einfach, eine stabile Einzelfrequenz-Ausgabe mit schmaler Linienbreite zu erreichen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Strukturen ist die Position des Gitters: Die DFB-Struktur verteilt normalerweise die periodische Struktur des Bragg-Gitters über den gesamten Resonator, und der Resonator des DBR besteht normalerweise aus der Reflexionsgitterstruktur und dem darin integrierten Verstärkungsbereich die Endfläche. Darüber hinaus verwenden DFB-Laser eingebettete Gitter mit niedrigem Brechungsindexkontrast und geringem Reflexionsvermögen. DBR-Laser verwenden Oberflächengitter mit hohem Brechungsindexkontrast und hohem Reflexionsvermögen. Beide Strukturen verfügen über einen großen freien Spektralbereich und können eine Wellenlängenabstimmung ohne Modensprung im Bereich von wenigen Nanometern durchführen, wobei der DBR-Laser einen größeren Abstimmbereich als der DFB-Laser hat.

Darüber hinaus kann die optische Rückkopplungstechnologie mit externem Hohlraum, die externe optische Elemente verwendet, um das ausgehende Licht des Halbleiterlaserchips rückzukoppeln und die Frequenz auszuwählen, auch den Betrieb des Halbleiterlasers mit schmaler Linienbreite realisieren.

2) Faserlaser

Faserlaser zeichnen sich durch eine hohe Pumpumwandlungseffizienz, eine gute Strahlqualität und eine hohe Kopplungseffizienz aus, was wichtige Forschungsthemen im Laserbereich sind. Im Kontext des Informationszeitalters weisen Faserlaser eine gute Kompatibilität mit den aktuellen Glasfaserkommunikationssystemen auf dem Markt auf. Der Einzelfrequenz-Faserlaser mit den Vorteilen schmaler Linienbreite, geringem Rauschen und guter Kohärenz ist zu einer der wichtigen Entwicklungsrichtungen geworden.

Der Single-Longitudinalmodus-Betrieb ist der Kern des Faserlasers, um eine Ausgabe mit schmaler Linienbreite zu erzielen. Normalerweise kann der Single-Frequenz-Faserlaser entsprechend der Struktur des Resonators in DFB-Typ, DBR-Typ und Ringtyp unterteilt werden. Unter ihnen ähnelt das Funktionsprinzip der DFB- und DBR-Einzelfrequenz-Faserlaser dem der DFB- und DBR-Halbleiterlaser.

Der DFB-Faserlaser schreibt das verteilte Bragg-Gitter in die Faser. Da die Arbeitswellenlänge des Oszillators von der Faserperiode beeinflusst wird, kann der Longitudinalmodus durch die verteilte Rückkopplung des Gitters ausgewählt werden. Der Laserresonator des DBR-Lasers besteht normalerweise aus einem Paar Faser-Bragg-Gittern, und der einzelne Longitudinalmodus wird hauptsächlich durch die schmalbandigen Faser-Bragg-Gitter mit niedrigem Reflexionsvermögen ausgewählt. Aufgrund seines langen Resonators, seiner komplexen Struktur und des Fehlens eines wirksamen Frequenzunterscheidungsmechanismus ist der ringförmige Hohlraum jedoch anfällig für Modensprünge, und es ist schwierig, über einen langen Zeitraum stabil im konstanten Longitudinalmodus zu arbeiten.

3) Festkörperlaser

Im Jahr 1960 war der weltweit erste Rubinlaser ein Festkörperlaser, der sich durch eine hohe Ausgangsenergie und einen größeren Wellenlängenbereich auszeichnete. Die einzigartige räumliche Struktur des Festkörperlasers macht ihn flexibler bei der Gestaltung einer Ausgabe mit schmaler Linienbreite. Zu den derzeit hauptsächlich implementierten Methoden gehören die Short-Cavity-Methode, die Einweg-Ring-Cavity-Methode, die Intracavity-Standardmethode, die Torsionspendelmodus-Cavity-Methode, die Volumen-Bragg-Gitter-Methode und die Seed-Injection-Methode.

Kontaktinformationen:

Wenn Sie Ideen haben, sprechen Sie uns gerne an. Egal wo unsere Kunden sind und welche Anforderungen wir haben, wir verfolgen unser Ziel, unseren Kunden hohe Qualität, niedrige Preise und den besten Service zu bieten.