Connaissez-vous la technologie laser à largeur de ligne étroite ?

À quoi pensez-vous quand vous pensez aux lasers ? UN  épée laser brandie par le général Grievous dans Star Wars ? Ou l'un de ces canaux laser mortels de Resident Evil ? Ou les yeux laser de Scott de X-Men qui pourraient tout brûler ? Ces "lasers", comme on les appelle, apparaissent souvent dans certaines œuvres de science-fiction sous la forme de haute puissance et de haute énergie, montrant une grande puissance (voir Figure 1).

Dans la vraie vie, les lasers se sont également faufilés dans de nombreuses industries, des domaines médicaux tels que la cosmétologie au laser et le traitement de la myopie aux domaines de la fabrication industrielle tels que le marquage, la découpe et le soudage au laser, ainsi que des domaines scientifiques de pointe tels que la détection radar, la microscopie l'imagerie et la communication quantique qui ont émergé ces dernières années. À l'heure actuelle, la technologie laser a apporté une contribution exceptionnelle à la promotion du développement de la sécurité de la défense nationale, du biomédical, de la fabrication intelligente et de l'information.

Cependant, les lasers dont nous avons besoin doivent-ils tous avoir une puissance élevée et une grande « létalité », comme le montre le film ?

Tout d'abord, nous devons examiner les caractéristiques de base du laser différentes de la source de lumière traditionnelle, comme le montre la figure 2, nous l'avons mentionné précédemment dans les œuvres cinématographiques et télévisuelles, le laser a des caractéristiques puissantes, généralement proportionnelles à la luminosité (puissance ) du laser, mais reflète également le laser a de bonnes caractéristiques directionnelles.

De plus, la monochromaticité et la cohérence sont également au centre de l'attention. La lumière émise par la source de lumière ordinaire est généralement différente en fréquence, elle contient donc une variété de couleurs, et les différents photons émis par le laser ont la même fréquence, c'est donc une très excellente source de lumière monochromatique. Non seulement cela, parce que les photons de rayonnement excités du laser sont cohérents en phase, il existe une relation de phase fixe entre les points sur la section transversale du faisceau laser sous l'action du résonateur, donc par rapport à la source de lumière ordinaire, la cohérence du laser est également excellent. Combiné avec les excellentes caractéristiques de monochromaticité et de cohérence du laser, même s'il n'y a pas de "halo" haute puissance de kilowatts et 10,000 watts, les lasers peuvent encore être largement utilisés dans la technologie spectrale, la mesure optique et d'autres domaines.

Caractéristiques du laser différentes des sources lumineuses traditionnelles

Aujourd'hui, nous allons introduire un laser "monochromatique" au laser à largeur de raie extrême - étroite. Son émergence comble les lacunes dans de nombreux domaines d'application du laser et, ces dernières années, a été largement utilisée dans la détection d'ondes gravitationnelles, le LiDAR, la détection distribuée, la communication optique cohérente à grande vitesse et d'autres domaines, ce qui est une "mission" qui ne peut pas être complété qu'en améliorant la puissance du laser.

Réalisation et application de laser à largeur de raie étroite

Limité par la largeur de raie de gain inhérente de la substance de travail du laser, il est presque impossible de réaliser directement la sortie du laser à largeur de raie étroite en s'appuyant sur l'oscillateur traditionnel lui-même. Afin de réaliser le fonctionnement du laser à largeur de raie étroite, il est généralement nécessaire d'utiliser des filtres, des réseaux et d'autres dispositifs pour limiter ou sélectionner le module longitudinal dans le spectre de gain et augmenter la différence de gain nette entre les modes longitudinaux, de sorte qu'il y ait quelques voire une seule oscillation de mode longitudinal dans le résonateur laser. Dans ce processus, il est souvent nécessaire de contrôler l'influence du bruit sur la sortie laser et de minimiser l'élargissement des raies spectrales provoqué par les vibrations et les changements de température de l'environnement extérieur ; En même temps, il peut également être combiné avec l'analyse de la densité spectrale de bruit de phase ou de fréquence pour comprendre la source de bruit et optimiser la conception du laser, afin d'obtenir une sortie stable du laser à largeur de raie étroite.

Jetons un coup d'œil à la réalisation de l'opération à largeur de raie étroite de plusieurs catégories différentes de lasers.

1) Laser à semi-conducteur

Les lasers à semi-conducteurs présentent les avantages d'une taille compacte, d'un rendement élevé, d'une longue durée de vie et d'avantages économiques.

Le résonateur optique Fabry-Perot (FP) utilisé dans les lasers à semi-conducteurs traditionnels oscille généralement en mode multi-longitudinal, et la largeur de ligne de sortie est relativement large, il est donc nécessaire d'augmenter la rétroaction optique pour obtenir la sortie d'une largeur de ligne étroite.

La rétroaction distribuée (DFB) et la réflexion de Bragg distribuée (DBR) sont deux lasers semi-conducteurs à rétroaction optique interne typiques. Leurs structures et leurs spectres de sortie sont représentés sur la Fig. 5. En raison du petit pas de réseau et de la bonne sélectivité de la longueur d'onde, il est facile d'obtenir une sortie stable à largeur de ligne étroite à fréquence unique. La principale différence entre les deux structures est la position du réseau : la structure DFB distribue généralement la structure périodique du réseau de Bragg dans tout le résonateur, et le résonateur du DBR est généralement composé de la structure du réseau de réflexion et de la région de gain intégrée dans la surface d'extrémité. De plus, les lasers DFB utilisent des réseaux intégrés avec un faible contraste d'indice de réfraction et une faible réflectivité. Les lasers DBR utilisent des réseaux de surface avec un contraste d'indice de réfraction élevé et une réflectivité élevée. Les deux structures ont une large plage spectrale libre et peuvent effectuer un réglage de longueur d'onde sans saut de mode dans la plage de quelques nanomètres, où le laser DBR a une plage de réglage plus large que le laser DFB.

De plus, la technologie de rétroaction optique à cavité externe, qui utilise des éléments optiques externes pour renvoyer la lumière sortante de la puce laser à semi-conducteur et sélectionner la fréquence, peut également réaliser le fonctionnement à largeur de raie étroite du laser à semi-conducteur.

2) Lasers à fibre

Les lasers à fibre ont une efficacité de conversion de pompe élevée, une bonne qualité de faisceau et une efficacité de couplage élevée, qui sont des sujets de recherche brûlants dans le domaine du laser. Dans le contexte de l'ère de l'information, les lasers à fibre ont une bonne compatibilité avec les systèmes de communication à fibre optique actuels sur le marché. Le laser à fibre monofréquence avec les avantages d'une largeur de ligne étroite, d'un faible bruit et d'une bonne cohérence est devenu l'une des directions importantes de son développement.

Le fonctionnement en mode longitudinal unique est au cœur du laser à fibre pour obtenir une sortie à largeur de ligne étroite, généralement en fonction de la structure du résonateur du laser à fibre à fréquence unique peut être divisé en type DFB, type DBR et type anneau. Parmi eux, le principe de fonctionnement des lasers à fibre monofréquence DFB et DBR est similaire à celui des lasers à semi-conducteur DFB et DBR.

Le laser à fibre DFB consiste à écrire le réseau de Bragg distribué dans la fibre. Comme la longueur d'onde de travail de l'oscillateur est affectée par la période de la fibre, le mode longitudinal peut être sélectionné par la rétroaction distribuée du réseau. Le résonateur laser du laser DBR est généralement formé par une paire de réseaux de Bragg à fibre, et le mode longitudinal unique est principalement sélectionné par les réseaux de Bragg à fibre à bande étroite et à faible réflectivité. Cependant, en raison de son long résonateur, de sa structure complexe et de l'absence de mécanisme de discrimination de fréquence efficace, la cavité en forme d'anneau est sujette aux sauts de mode et il est difficile de travailler de manière stable en mode longitudinal constant pendant une longue période.

3) Laser à solide

En 1960, le premier laser à rubis au monde était un laser à semi-conducteurs, caractérisé par une énergie de sortie élevée et une couverture de longueur d'onde plus large. La structure spatiale unique du laser à semi-conducteurs le rend plus flexible dans la conception d'une sortie à largeur de raie étroite. À l'heure actuelle, les principales méthodes mises en œuvre comprennent la méthode de cavité courte, la méthode de cavité annulaire unidirectionnelle, la méthode standard intracavité, la méthode de cavité en mode pendule de torsion, la méthode de réseau de Bragg en volume et la méthode d'injection de graine.

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