Dzisiaj zaprezentujemy laser „monochromatyczny” w ekstremalnym wydaniu – laser o wąskiej szerokości linii. Jego pojawienie się wypełnia lukę w wielu dziedzinach zastosowań laserów i w ostatnich latach znalazło szerokie zastosowanie w detekcji fal grawitacyjnych, lidarach, detekcji rozproszonej, szybkiej koherentnej komunikacji optycznej i innych dziedzinach, co jest „misją”, której nie da się zrealizować jedynie poprzez zwiększenie mocy lasera.
Czym jest laser o wąskiej szerokości linii?
Termin „szerokość linii” odnosi się do szerokości linii widmowej lasera w dziedzinie częstotliwości, która jest zazwyczaj określana ilościowo w kategoriach pełnej szerokości półszczytu widma (FWHM). Na szerokość linii wpływa głównie promieniowanie spontaniczne wzbudzonych atomów lub jonów, szum fazowy, drgania mechaniczne rezonatora, jitter temperaturowy i inne czynniki zewnętrzne. Im mniejsza wartość szerokości linii, tym większa czystość widma, czyli lepsza monochromatyczność lasera. Lasery o takich właściwościach zazwyczaj charakteryzują się bardzo małym szumem fazowym lub częstotliwościowym oraz bardzo małym szumem intensywności względnej. Jednocześnie, im mniejsza wartość szerokości liniowej lasera, tym silniejsza odpowiadająca jej spójność, która objawia się wyjątkowo długą długością koherencji.
Realizacja i zastosowanie lasera o wąskiej szerokości linii
Ograniczony przez naturalną szerokość linii wzmocnienia substancji roboczej lasera, jest prawie niemożliwy do bezpośredniej realizacji wyjścia lasera o wąskiej szerokości linii, polegając na samym tradycyjnym oscylatorze. Aby zrealizować działanie lasera o wąskiej szerokości linii, zazwyczaj konieczne jest użycie filtrów, kratek i innych urządzeń w celu ograniczenia lub wybrania modułu podłużnego w widmie wzmocnienia, zwiększenia różnicy wzmocnienia netto między modami podłużnymi, tak aby w rezonatorze lasera występowało kilka lub nawet tylko jedna oscylacja modu podłużnego. W tym procesie często konieczne jest kontrolowanie wpływu szumu na wyjście lasera i minimalizowanie poszerzenia linii widmowych spowodowanego wibracjami i zmianami temperatury środowiska zewnętrznego. Jednocześnie można to również połączyć z analizą gęstości widmowej szumu fazowego lub częstotliwościowego, aby zrozumieć źródło szumu i zoptymalizować konstrukcję lasera, tak aby uzyskać stabilną moc wyjściową lasera o wąskiej szerokości linii.
Przyjrzyjmy się realizacji operacji o wąskiej szerokości linii dla kilku różnych kategorii laserów.
Lasery półprzewodnikowe mają zalety kompaktowych rozmiarów, wysokiej wydajności, długiej żywotności i korzyści ekonomicznych.
Rezonator optyczny Fabry’ego-Perota (FP) stosowany w tradycyjnychlasery półprzewodnikoweZwykle oscyluje w trybie wielopodłużnym, a szerokość linii wyjściowej jest stosunkowo duża, dlatego konieczne jest zwiększenie sprzężenia zwrotnego optycznego, aby uzyskać wyjście o wąskiej szerokości linii.
Rozproszone sprzężenie zwrotne (DFB) i rozproszone odbicie Bragga (DBR) to dwa typowe lasery półprzewodnikowe z wewnętrznym optycznym sprzężeniem zwrotnym. Dzięki małemu skokowi siatki i dobrej selektywności długości fali łatwo uzyskać stabilne wyjście o jednej częstotliwości i wąskiej szerokości linii. Główną różnicą między tymi dwiema strukturami jest położenie siatki: struktura DFB zazwyczaj rozprowadza okresową strukturę siatki Bragga w całym rezonatorze, a rezonator DBR zazwyczaj składa się ze struktury siatki odbiciowej i obszaru wzmocnienia zintegrowanego z powierzchnią końcową. Ponadto lasery DFB wykorzystują osadzone siatki o niskim kontraście współczynnika załamania i niskim współczynniku odbicia. Lasery DBR wykorzystują siatki powierzchniowe o wysokim kontraście współczynnika załamania i wysokim współczynniku odbicia. Obie struktury mają szeroki zakres widmowy i mogą wykonywać strojenie długości fali bez przeskoku modów w zakresie kilku nanometrów, podczas gdy laser DBR ma szerszy zakres strojenia niż laser DBR.Laser DFBPonadto technologia zewnętrznego sprzężenia zwrotnego optycznego, która wykorzystuje zewnętrzne elementy optyczne do sprzężenia zwrotnego światła wychodzącego z układu lasera półprzewodnikowego i wybierania częstotliwości, umożliwia również realizację operacji o wąskiej szerokości linii lasera półprzewodnikowego.
(2) Lasery światłowodowe
Lasery światłowodowe charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji pompowania, dobrą jakością wiązki i wysoką wydajnością sprzęgania, co stanowi gorący temat badań w dziedzinie laserów. W dobie informacji, lasery światłowodowe charakteryzują się dobrą kompatybilnością z obecnymi na rynku systemami komunikacji światłowodowej. Laser światłowodowy jednoczęstotliwościowy, charakteryzujący się wąską szerokością linii, niskim poziomem szumów i dobrą spójnością, stał się jednym z ważnych kierunków rozwoju laserów światłowodowych.
Praca w pojedynczym trybie podłużnym stanowi rdzeń lasera światłowodowego, umożliwiając uzyskanie wąskiej linii wyjściowej. Ze względu na strukturę rezonatora, lasery światłowodowe jednoczęstotliwościowe można podzielić na lasery typu DFB, DBR i pierścieniowe. Zasada działania laserów światłowodowych jednoczęstotliwościowych DFB i DBR jest podobna do zasady działania laserów półprzewodnikowych DFB i DBR.
Jak pokazano na rysunku 1, laser światłowodowy DFB ma zapisywać w światłowodzie rozproszoną siatkę Bragga. Ponieważ okres włókna wpływa na długość fali roboczej oscylatora, mod podłużny można wybrać poprzez rozproszone sprzężenie zwrotne siatki. Rezonator lasera DBR jest zazwyczaj utworzony przez parę światłowodowych siatek Bragga, a pojedynczy mod podłużny jest wybierany głównie przez światłowodowe siatki Bragga o wąskim paśmie i niskim współczynniku odbicia. Jednak ze względu na długi rezonator, złożoną strukturę i brak skutecznego mechanizmu dyskryminacji częstotliwości, wnęka pierścieniowa jest podatna na przeskoki modów i trudno jest stabilnie pracować w stałym modzie podłużnym przez długi czas.
Rysunek 1. Dwie typowe struktury liniowe o pojedynczej częstotliwościlasery światłowodowe
Czas publikacji: 27-11-2023