좁은 선폭 레이저 기술을 알고 계십니까?

레이저하면 무엇이 떠오르시나요? ㅏ  휘두르는 레이저 검 스타워즈의 그리버스 장군? 아니면 레지던트 이블의 치명적인 레이저 채널 중 하나입니까? 아니면 모든 것을 태울 수 있는 X-Men의 Scott의 레이저 눈? 이러한 "레이저"는 알려진 바와 같이 일부 공상 과학 작품에서 고출력 및 고에너지의 형태로 종종 등장하여 엄청난 출력을 보여줍니다(그림 1 참조).

실생활에서도 레이저는 레이저 미용 및 근시 치료와 같은 의료 분야에서 레이저 마킹, 절단 및 용접과 같은 산업 제조 분야는 물론 레이더 감지, 현미경, 현미경과 같은 첨단 과학 분야에 이르기까지 많은 산업에 몰래 침투했습니다. 최근 몇 년 동안 등장한 이미징 및 양자 통신. 현재 레이저 기술은 국방 안보, 생물 의학, 지능형 제조 및 정보의 발전을 촉진하는 데 크게 기여했습니다.

하지만 우리가 필요로 하는 레이저는 모두 영화에서 보듯 고출력과 뛰어난 '치명성'을 갖춰야 할까요?

우선, 우리는 기존의 광원과 다른 레이저의 기본 특성을 살펴봐야 합니다. 그림 2에 표시된 것처럼 앞서 영화 및 TV 작업에서 언급한 레이저는 일반적으로 밝기(파워)에 비례하는 강력한 특성을 가지고 있습니다. ) 레이저의 반사뿐만 아니라 레이저의 방향성도 좋습니다.

또한 단색성과 일관성도 주목의 초점이다. 일반 광원에서 방출되는 빛은 일반적으로 주파수가 다르기 때문에 다양한 색상을 포함하고 레이저에서 방출되는 다양한 광자는 동일한 주파수를 가지므로 매우 우수한 단색 광원입니다. 뿐만 아니라, 레이저의 여기된 방사선 광자는 위상이 일정하기 때문에 공진기의 작용 하에서 레이저 빔의 단면에 있는 점 사이에 고정된 위상 관계가 있으므로 일반 광원과 비교하여 일관성이 레이저의 성능도 우수합니다. 레이저의 우수한 단색성 및 일관성 특성과 결합하여 킬로와트 및 10000 와트의 고출력 "후광"이 없더라도 레이저는 스펙트럼 기술, 광학 측정 및 기타 분야에서 여전히 널리 사용될 수 있습니다.

기존 광원과 다른 레이저의 특성

오늘은 극소선폭 레이저에 "단색" 레이저를 소개합니다. 그것의 출현은 레이저의 많은 응용 분야의 격차를 메우고 최근 몇 년 동안 중력파 감지, LiDAR, 분산 감지, 고속 일관된 광통신 및 기타 분야에서 널리 사용되었습니다. 레이저 파워를 개선해야만 완성됩니다.

좁은 선폭 레이저 구현 및 응용

레이저 작동 물질의 고유 이득 선폭에 의해 제한되기 때문에 기존 발진기 자체에 의존하여 좁은 선폭 레이저의 출력을 직접 실현하는 것은 거의 불가능합니다. 좁은 선폭 레이저의 작동을 실현하기 위해서는 일반적으로 필터, 격자 및 기타 장치를 사용하여 이득 스펙트럼에서 세로 계수를 제한하거나 선택하고 세로 모드 간의 순 이득 차이를 증가시켜야 합니다. 레이저 공진기에서 몇 개 또는 단 하나의 세로 모드 진동. 이 과정에서 레이저 출력에 대한 노이즈의 영향을 제어하고 외부 환경의 진동 및 온도 변화로 인한 스펙트럼 라인의 확장을 최소화해야 하는 경우가 많습니다. 동시에 위상 또는 주파수 노이즈 스펙트럼 밀도 분석과 결합하여 노이즈 소스를 이해하고 레이저 설계를 최적화하여 좁은 선폭 레이저의 안정적인 출력을 달성할 수 있습니다.

몇 가지 다른 범주의 레이저에서 좁은 선폭 작업을 구현하는 방법을 살펴보겠습니다.

1) 반도체 레이저

반도체 레이저는 소형 크기, 고효율, 긴 수명 및 경제적 이점이라는 장점이 있습니다.

전통적인 반도체 레이저에 사용되는 FP(Fabry-Perot) 광 공진기는 일반적으로 다중 종방향 모드로 발진하고 출력 선폭이 비교적 넓기 때문에 좁은 선폭의 출력을 얻기 위해서는 광 피드백을 증가시켜야 합니다.

분산 피드백(DFB) 및 분산 브래그 반사(DBR)는 두 가지 일반적인 내부 광 피드백 반도체 레이저입니다. 이들의 구조 및 출력 스펙트럼은 도 1에 도시되어 있다. 5. 작은 격자 피치와 우수한 파장 선택성으로 인해 안정적인 단일 주파수 좁은 선폭 출력을 쉽게 얻을 수 있습니다. 두 구조의 주요 차이점은 격자의 위치입니다. DFB 구조는 일반적으로 브래그 격자의 주기적 구조를 공진기 전체에 분포시키고 DBR의 공진기는 일반적으로 반사 격자 구조와 이득 영역이 끝 표면. 또한 DFB 레이저는 굴절률 콘트라스트와 반사율이 낮은 임베디드 격자를 사용합니다. DBR 레이저는 굴절률 콘트라스트와 반사율이 높은 표면 격자를 사용합니다. 두 구조 모두 자유 스펙트럼 범위가 크며 몇 나노미터 범위에서 모드 점프 없이 파장 튜닝을 수행할 수 있습니다. 여기서 DBR 레이저는 DFB 레이저보다 튜닝 범위가 더 넓습니다.

또한 외부 광학 소자를 사용하여 반도체 레이저 칩의 출사광을 피드백하고 주파수를 선택하는 외부 공동 광 피드백 기술도 반도체 레이저의 좁은 선폭 동작을 실현할 수 있습니다.

2) 파이버 레이저

파이버 레이저는 높은 펌프 변환 효율, 우수한 빔 품질 및 높은 결합 효율을 가지고 있어 레이저 분야에서 뜨거운 연구 주제입니다. 정보화 시대의 맥락에서 파이버 레이저는 현재 시중의 광섬유 통신 시스템과 잘 호환됩니다. 좁은 선폭, 낮은 잡음, 우수한 결속성의 장점을 지닌 단일 주파수 파이버 레이저는 중요한 개발 방향 중 하나가 되었습니다.

단일 세로 모드 작동은 일반적으로 단일 주파수 파이버 레이저의 공진기 구조에 따라 DFB 유형, DBR 유형 및 링 유형으로 나눌 수 있는 좁은 선폭 출력을 달성하기 위한 파이버 레이저의 핵심입니다. 그중 DFB 및 DBR 단일 주파수 파이버 레이저의 작동 원리는 DFB 및 DBR 반도체 레이저의 작동 원리와 유사합니다.

DFB 파이버 레이저는 분포된 브래그 격자를 파이버에 쓰는 것입니다. 발진기의 작동 파장은 광섬유 주기의 영향을 받기 때문에 세로 모드는 격자의 분산 피드백에 의해 선택될 수 있습니다. DBR 레이저의 레이저 공진기는 일반적으로 한 쌍의 광섬유 브래그 격자로 구성되며 단일 세로 모드는 주로 협 대역 및 저 반사율 광섬유 브래그 격자에 의해 선택됩니다. 그러나 공진기가 길고 구조가 복잡하며 효과적인 주파수 식별 메커니즘이 없기 때문에 링 모양의 캐비티는 모드 호핑이 발생하기 쉽고 일정한 세로 모드에서 오랫동안 안정적으로 작동하기 어렵습니다.

3) 고체 레이저

1960년 세계 최초의 루비 레이저는 고출력 에너지와 더 넓은 파장 범위를 특징으로 하는 고체 레이저였습니다. 고체 레이저의 고유한 공간 구조는 좁은 선폭 출력 설계에서 보다 유연하게 만듭니다. 현재 구현된 주요 방법에는 짧은 공동 방법, 단방향 링 공동 방법, 내부 공동 표준 방법, 비틀림 진자 모드 공동 방법, 볼륨 브래그 격자 방법 및 시드 주입 방법이 있습니다.

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