Введение
Тип лазера
Рамановский лазер – это специфический тип лазера, в котором основным механизмом усиления света является стимулированное рамановское рассеяние. В отличие от этого, большинство "традиционных" лазеров (например, рубиновый лазер) используют стимулированные электронные переходы для усиления света.
A Raman laser is a specific type of laser in which the fundamental light amplification mechanism is stimulated Raman scattering. In contrast, most "conventional" lasers (such as the ruby laser) rely on stimulated electronic transitions to amplify light.
Спектровая гибкость
Лазеры Рамана оптически накачиваются. Однако это накачивание не создает инверсию населенностей, как в обычных лазерах. Вместо этого фотоны накачки поглощаются и "мгновенно" переизлучаются в виде фотонов лазерного света с более низкой частотой ("фотоны Стокса") посредством стимулированного рассеяния Рамана. Разность между энергиями этих двух фотонов фиксирована и соответствует колебательной частоте активной среды. Это, в принципе, позволяет получать лазерное излучение на произвольных длинах волн, подбирая соответствующую длину волны накачки. Это отличается от обычных лазеров, где возможные длины волн лазерного излучения определяются спектральными линиями активной среды. Например, в оптических волокнах из диоксида кремния частотный сдвиг, соответствующий максимальному усилению Рамана, составляет около 13,2 ТГц. В ближней инфракрасной области это соответствует разнице в длинах волн между светом накачки и лазерным излучением около 100 нм.
Типы лазеров Рамана
Первый рамановский лазер, созданный в 1962 году Гизелой Экхардт и Э. Дж. Вудбери, использовал нитробензол в качестве активной среды, который накачивался внутри резонатора рубинового Q-переключателя. Для создания рамановских лазеров можно использовать различные другие активные среды.
Лазеры на волокнах Рамана
Первый непрерывный лазер Рамана с использованием оптического волокна в качестве активной среды был продемонстрирован в 1976 году. В лазерах на основе волокон обеспечивается плотное пространственное удержание света накачки на относительно больших расстояниях. Это значительно снижает пороговые мощности накачки до практически достижимых уровней и, кроме того, позволяет реализовать непрерывный режим генерации. В 1988 году был создан первый волоконный лазер Рамана на основе волоконных решеток Брэгга. Волоконные решетки Брэгга являются узкополосными отражателями и функционируют как зеркала лазерного резонатора. Они записываются непосредственно в сердцевину оптического волокна, используемого в качестве активной среды, что устраняет значительные потери, ранее возникавшие из-за сопряжения волокна с внешними рефлекторами объемной оптики. В настоящее время коммерчески доступные лазеры Рамана на основе волокон способны выдавать выходную мощность в диапазоне нескольких десятков ватт в непрерывном режиме. Техника, широко используемая в этих устройствах, – каскадирование, впервые предложенное в 1994 году: лазерный свет "первого порядка", генерируемый из света накачки за один шаг сдвига частоты, остается заключенным в лазерном резонаторе и доводится до такой высокой мощности, что сам начинает действовать как накачка для генерации лазерного света "второго порядка", который снова сдвигается по той же вибрационной частоте. Таким образом, один лазерный резонатор используется для преобразования света накачки (обычно около 1060 нм) через несколько дискретных этапов в лазерное излучение с "произвольной" требуемой длиной волны.
Кремниевые лазеры Рамана
Совсем недавно, генерация Рамановского лазерного излучения была продемонстрирована в интегрированных оптических волноводах на основе кремния группой Бахрама Джалали в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 2004 году (в импульсном режиме) и компанией Intel в 2005 году (в режиме непрерывного излучения), соответственно. Эти разработки привлекли большое внимание, поскольку это был первый случай реализации лазера в кремнии: "классическая" лазерная генерация, основанная на электронных переходах, запрещена в кристаллическом кремнии из-за его непрямого межзонного перехода. Практические источники света на основе кремния были бы весьма востребованы в области кремниевой фотоники, которая стремится использовать кремний не только для реализации электроники, но и для создания новых функций обработки света на одном чипе.