Dzisiaj przedstawimy „monochromatyczny” laser do granic możliwości – laser o wąskiej szerokości linii. Jego pojawienie się wypełnia luki w wielu dziedzinach zastosowań lasera i w ostatnich latach jest szeroko stosowany w detekcji fal grawitacyjnych, lidarach, rozproszonym wykrywaniu, szybkiej spójnej komunikacji optycznej i innych dziedzinach, co jest „misją”, której nie można wykonać wyłącznie poprzez poprawę mocy lasera.
Czym jest laser o wąskiej szerokości linii?
Termin „szerokość linii” odnosi się do szerokości linii widmowej lasera w domenie częstotliwości, która jest zwykle kwantyfikowana w kategoriach pełnej szerokości półszczytu widma (FWHM). Na szerokość linii wpływa głównie spontaniczne promieniowanie wzbudzonych atomów lub jonów, szum fazowy, drgania mechaniczne rezonatora, drgania temperatury i inne czynniki zewnętrzne. Im mniejsza wartość szerokości linii, tym wyższa czystość widma, czyli tym lepsza monochromatyczność lasera. Lasery o takich charakterystykach zwykle mają bardzo mało szumu fazowego lub częstotliwościowego i bardzo mało szumu intensywności względnej. Jednocześnie im mniejsza wartość szerokości liniowej lasera, tym silniejsza odpowiadająca mu spójność, która objawia się jako niezwykle długa długość koherencji.
Realizacja i zastosowanie lasera o wąskiej szerokości linii
Ograniczone przez wrodzoną szerokość linii wzmocnienia substancji roboczej lasera, jest prawie niemożliwe, aby bezpośrednio zrealizować wyjście lasera o wąskiej szerokości linii, polegając na samym tradycyjnym oscylatorze. Aby zrealizować działanie lasera o wąskiej szerokości linii, zwykle konieczne jest użycie filtrów, kratki 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 trybu podłużnego. W tym procesie często konieczne jest kontrolowanie wpływu szumu na wyjście lasera i minimalizowanie poszerzenia linii widmowych spowodowanego przez drgania i zmiany temperatury otoczenia 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 stabilne wyjście lasera o wąskiej szerokości linii.
Przyjrzyjmy się realizacji operacji 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 wielodługościowym, a szerokość linii wyjściowej jest stosunkowo duża, dlatego też konieczne jest zwiększenie sprzężenia zwrotnego optycznego, aby uzyskać wyjściową linię o wąskiej szerokości.
Rozproszone sprzężenie zwrotne (DFB) i rozproszone odbicie Bragga (DBR) to dwa typowe wewnętrzne półprzewodnikowe lasery optyczne ze sprzężeniem zwrotnym. Ze względu na mały skok kratki i dobrą selektywność długości fali łatwo uzyskać stabilne wyjście o pojedynczej częstotliwości i wąskiej szerokości linii. Główną różnicą między tymi dwiema strukturami jest położenie kratki: struktura DFB zwykle rozprowadza okresową strukturę kratki Bragga w całym rezonatorze, a rezonator DBR zwykle składa się ze struktury kratki odbiciowej i obszaru wzmocnienia zintegrowanego z powierzchnią końcową. Ponadto lasery DFB wykorzystują osadzone kratki o niskim kontraście współczynnika załamania i niskim współczynniku odbicia. Lasery DBR wykorzystują kratki powierzchniowe o wysokim kontraście współczynnika załamania i wysokim współczynniku odbicia. Obie struktury mają duży zakres swobodnego widma i mogą wykonywać strojenie długości fali bez przeskoku trybu w zakresie kilku nanometrów, gdzie laser DBR ma szerszy zakres strojenia niżLaser DFBPonadto technologia zewnętrznego sprzężenia zwrotnego optycznego, która wykorzystuje zewnętrzne elementy optyczne do sprzężenia zwrotnego światła wychodzącego z układu lasera półprzewodnikowego i wybierania częstotliwości, może również realizować działanie wąskiej linii lasera półprzewodnikowego.
(2) Lasery światłowodowe
Lasery światłowodowe charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji pompy, dobrą jakością wiązki i wysoką wydajnością sprzęgania, które są gorącymi tematami badawczymi w dziedzinie laserów. W kontekście ery informacji lasery światłowodowe charakteryzują się dobrą kompatybilnością z obecnymi systemami komunikacji światłowodowej na rynku. Laser światłowodowy jednoczęstotliwościowy z zaletami wąskiej szerokości linii, niskiego poziomu szumów i dobrej spójności stał się jednym z ważnych kierunków jego rozwoju.
Pojedyncza praca w trybie podłużnym jest rdzeniem lasera światłowodowego w celu uzyskania wąskiej szerokości linii wyjściowej, zwykle zgodnie ze strukturą rezonatora lasera światłowodowego o pojedynczej częstotliwości można podzielić na typ DFB, typ DBR i typ pierścieniowy. Spośród nich zasada działania laserów światłowodowych o pojedynczej częstotliwości DFB i DBR jest podobna do zasady działania laserów półprzewodnikowych DFB i DBR.
Jak pokazano na rysunku 1, laser światłowodowy DFB ma zapisywać rozproszoną kratkę Bragga w włóknie. Ponieważ robocza długość fali oscylatora jest zależna od okresu włókna, tryb podłużny można wybrać poprzez rozproszone sprzężenie zwrotne kratki. Rezonator lasera DBR jest zwykle utworzony przez parę światłowodowych kratek Bragga, a pojedynczy tryb podłużny jest wybierany głównie przez wąskopasmowe i światłowodowe kratki Bragga o niskim współczynniku odbicia. Jednak ze względu na długi rezonator, złożoną strukturę i brak skutecznego mechanizmu dyskryminacji częstotliwości, wnęka w kształcie pierścienia jest podatna na przeskakiwanie modów i trudno jest pracować stabilnie w stałym trybie podłużnym przez długi czas.
Rysunek 1. Dwie typowe struktury liniowe o pojedynczej częstotliwościlasery światłowodowe
Czas publikacji: 27-11-2023