تقنية الليزر ذات عرض الخط الضيق - الجزء الثاني
في عام 1960، كان أول ليزر ياقوتي في العالم ليزرًا صلبًا، يتميز بطاقة خرج عالية وتغطية واسعة للأطوال الموجية. يُتيح التركيب المكاني الفريد لليزر الصلب مرونة أكبر في تصميم خرج ذي عرض خط طيفي ضيق. وتشمل الطرق الرئيسية المُطبقة حاليًا: طريقة التجويف القصير، وطريقة التجويف الحلقي أحادي الاتجاه، والطريقة القياسية داخل التجويف، وطريقة تجويف نمط البندول الالتوائي، وطريقة محزز براغ الحجمي، وطريقة حقن البذور.
يوضح الشكل 7 بنية العديد من ليزرات الحالة الصلبة النموذجية ذات النمط الطولي الأحادي.
يوضح الشكل 7(أ) مبدأ عمل اختيار النمط الطولي الأحادي باستخدام معيار فابري-بيرو داخل التجويف، حيث يُستخدم طيف النقل ذو عرض الخط الضيق للمعيار لزيادة فقد الأنماط الطولية الأخرى، مما يؤدي إلى ترشيحها في عملية تنافس الأنماط نظرًا لانخفاض نفاذيتها، وبالتالي تحقيق تشغيل النمط الطولي الأحادي. إضافةً إلى ذلك، يمكن الحصول على نطاق معين من ضبط الطول الموجي للخرج من خلال التحكم في زاوية ودرجة حرارة معيار فابري-بيرو وتغيير الفاصل الزمني بين الأنماط الطولية. يوضح الشكلان 7(ب) و7(ج) طريقة مذبذب الحلقة غير المستوية (NPRO) وطريقة تجويف نمط البندول الالتوائي المستخدمة للحصول على خرج نمط طولي أحادي. تعتمد آلية العمل على توجيه الشعاع في اتجاه واحد داخل الرنان، مما يُزيل التوزيع المكاني غير المتجانس لعدد الجسيمات المعكوسة في تجويف الموجة المستقرة العادي، وبالتالي تجنب تأثير احتراق الثقوب المكانية، للحصول على خرج نمط طولي واحد. ويشابه مبدأ اختيار نمط محزز براغ الحجمي (VBG) مبدأ ليزرات أشباه الموصلات والألياف ذات عرض الخط الضيق المذكورة سابقًا، أي باستخدام VBG كعنصر ترشيح، وبفضل انتقائيته الطيفية وانتقائيته الزاوية، يتذبذب المذبذب عند طول موجي أو نطاق محدد لتحقيق دور اختيار النمط الطولي، كما هو موضح في الشكل 7(د).
في الوقت نفسه، يمكن دمج عدة طرق لاختيار النمط الطولي وفقًا للاحتياجات لتحسين دقة اختيار النمط الطولي، أو تضييق عرض الخط الطيفي، أو زيادة شدة تنافس الأنماط من خلال إدخال تحويل التردد غير الخطي ووسائل أخرى، وتوسيع طول موجة خرج الليزر مع العمل في عرض خط طيفي ضيق، وهو أمر يصعب تحقيقه بالنسبة لـليزر أشباه الموصلاتوليزر الألياف.
(4) ليزر بريلوين
يعتمد ليزر بريلوين على تأثير تشتت بريلوين المحفز (SBS) للحصول على تقنية إخراج منخفضة الضوضاء وذات عرض خط ضيق، ومبدأ عمله هو من خلال تفاعل الفوتون مع المجال الصوتي الداخلي لإنتاج إزاحة تردد معينة لفوتونات ستوكس، ويتم تضخيمها باستمرار ضمن نطاق الكسب.
يوضح الشكل 8 مخطط مستوى تحويل SBS والبنية الأساسية لليزر بريلوين.
نظراً لانخفاض تردد اهتزاز المجال الصوتي، فإن انزياح تردد بريلوين للمادة لا يتجاوز عادةً 0.1-2 سم⁻¹، لذا عند استخدام ليزر بطول موجي 1064 نانومتر كضوء ضخ، يكون طول موجة ستوكس المتولدة حوالي 1064.01 نانومتر فقط، مما يعني أيضاً كفاءة تحويل كمي عالية للغاية (تصل نظرياً إلى 99.99%). إضافةً إلى ذلك، ولأن عرض خط كسب بريلوين للوسط عادةً ما يكون في حدود الميغاهرتز-الغيغاهرتز (يبلغ عرض خط كسب بريلوين لبعض الأوساط الصلبة حوالي 10 ميغاهرتز فقط)، فهو أقل بكثير من عرض خط كسب مادة الليزر العاملة الذي يبلغ حوالي 100 غيغاهرتز، وبالتالي، يمكن أن يُظهر ستوكس المُثار في ليزر بريلوين ظاهرة تضييق طيفي واضحة بعد تضخيمه عدة مرات في التجويف، ويكون عرض خط الخرج أضيق بعدة مراتب من عرض خط الضخ. في الوقت الحاضر، أصبح ليزر بريلوين نقطة بحث ساخنة في مجال الفوتونيات، وقد صدرت العديد من التقارير حول مخرجات عرض الخط الضيق للغاية التي تصل إلى رتبة الهرتز وما دون الهرتز.
في السنوات الأخيرة، ظهرت أجهزة بريلوين ذات بنية الموجهات الموجية في مجالالفوتونيات الميكرويةوتتطور هذه التقنيات بسرعة نحو التصغير والتكامل العالي والدقة الفائقة. إضافةً إلى ذلك، برز ليزر بريلوين الفضائي، القائم على مواد بلورية جديدة كالألماس، خلال العامين الماضيين، بفضل ابتكاره الرائد في مجال قوة بنية الموجه الضوئية وتقنية SBS المتتالية، حيث وصلت قدرة ليزر بريلوين إلى 10 واط، مما يمهد الطريق لتوسيع نطاق تطبيقاته.
مفترق طرق عام
مع استمرار البحث عن أحدث المعارف، أصبحت أشعة الليزر ذات عرض الخط الطيفي الضيق أداة لا غنى عنها في البحث العلمي بفضل أدائها الممتاز، مثل مقياس التداخل الليزري LIGO للكشف عن موجات الجاذبية، والذي يستخدم عرض خط طيفي ضيق أحادي التردد.ليزرباستخدام طول موجي يبلغ 1064 نانومتر كمصدر أساسي، وبعرض خط طيفي لا يتجاوز 5 كيلوهرتز. إضافةً إلى ذلك، تُظهر الليزرات ذات العرض الطيفي الضيق والقابلة لضبط الطول الموجي والتي لا تشهد قفزة في النمط إمكانات تطبيقية كبيرة، لا سيما في الاتصالات المتماسكة، حيث تلبي تمامًا متطلبات تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) أو تقنية تعدد الإرسال بتقسيم التردد (FDM) فيما يتعلق بضبط الطول الموجي (أو التردد)، ومن المتوقع أن تصبح الجهاز الأساسي للجيل القادم من تكنولوجيا الاتصالات المتنقلة.
في المستقبل، سيساهم ابتكار مواد الليزر وتقنية المعالجة في زيادة ضغط عرض خط الليزر، وتحسين استقرار التردد، وتوسيع نطاق الطول الموجي، وتحسين الطاقة، مما يمهد الطريق لاستكشاف الإنسان للعالم المجهول.
تاريخ النشر: 29 نوفمبر 2023