Dzisiaj wprowadzimy do ekstremum laser „monochromatyczny” – laser o wąskiej szerokości linii. Jego pojawienie się wypełnia luki w wielu obszarach zastosowań lasera, a w ostatnich latach jest szeroko stosowany w wykrywaniu fal grawitacyjnych, lidar, wykrywaniu rozproszonym, szybkiej, spójnej komunikacji optycznej i innych dziedzinach, co jest „misją”, której nie można można zakończyć jedynie poprzez poprawę mocy lasera.
Co to jest laser o wąskiej szerokości linii?
Termin „szerokość linii” odnosi się do szerokości linii widmowej lasera w dziedzinie częstotliwości, która jest zwykle określana ilościowo w kategoriach pełnej szerokości widma w połowie szczytu (FWHM). Na szerokość linii wpływa głównie spontaniczne promieniowanie wzbudzonych atomów lub jonów, szum fazowy, wibracje mechaniczne rezonatora, wahania temperatury i inne czynniki zewnętrzne. Im mniejsza wartość szerokości linii, tym większa czystość widma, czyli lepsza monochromatyczność lasera. Lasery o takiej charakterystyce charakteryzują się zwykle bardzo małym szumem fazowym lub częstotliwościowym oraz bardzo małym szumem o natężeniu względnym. Jednocześnie im mniejsza jest wartość szerokości liniowej lasera, tym silniejsza jest odpowiadająca jej koherencja, co objawia się wyjątkowo dużą długością koherencji.
Realizacja i zastosowanie lasera wąskoliniowego
Ograniczone przez nieodłączną szerokość linii wzmocnienia substancji roboczej lasera, prawie niemożliwe jest bezpośrednie zrealizowanie mocy wyjściowej lasera o wąskiej szerokości linii poprzez poleganie na samym tradycyjnym oscylatorze. Aby zrealizować działanie lasera o wąskiej szerokości linii, zwykle konieczne jest użycie filtrów, siatek i innych urządzeń w celu ograniczenia lub wybrania modułu podłużnego w widmie wzmocnienia, zwiększenia różnicy wzmocnienia netto pomiędzy modami podłużnymi, tak aby istniała kilka lub nawet tylko jedno drganie podłużne w rezonatorze laserowym. W procesie tym często konieczna jest kontrola wpływu szumu na moc lasera oraz minimalizacja poszerzenia linii widmowych spowodowanego wibracjami i zmianami temperatury środowiska zewnętrznego; Jednocześnie można go również połączyć z analizą gęstości widmowej szumu fazowego lub częstotliwościowego, aby zrozumieć źródło szumu i zoptymalizować konstrukcję lasera, aby uzyskać stabilną moc wyjściową lasera o wąskiej szerokości linii.
Przyjrzyjmy się realizacji operacji w wąskiej szerokości linii kilku różnych kategorii laserów.
Lasery półprzewodnikowe mają zalety kompaktowych rozmiarów, wysokiej wydajności, długiej żywotności i korzyści ekonomicznych.
Rezonator optyczny Fabry-Perot (FP) stosowany w tradycyjnych urządzeniachlasery półprzewodnikowegeneralnie oscyluje w trybie wielowzdłużnym, a szerokość linii wyjściowej jest stosunkowo duża, dlatego konieczne jest zwiększenie optycznego sprzężenia zwrotnego, aby uzyskać sygnał wyjściowy o wąskiej szerokości linii.
Rozproszone sprzężenie zwrotne (DFB) i rozproszone odbicie Bragga (DBR) to dwa typowe lasery półprzewodnikowe z wewnętrznym optycznym sprzężeniem zwrotnym. Ze względu na mały odstęp siatki i dobrą selektywność długości fali, łatwo jest uzyskać stabilny sygnał wyjściowy o wąskiej szerokości linii o pojedynczej częstotliwości. Główną różnicą między tymi dwiema strukturami jest położenie siatki: struktura DFB zwykle rozprowadza strukturę okresową siatki Bragga w rezonatorze, a rezonator DBR zwykle składa się ze struktury siatki odbiciowej i obszaru wzmocnienia zintegrowanego z powierzchnię końcową. Ponadto lasery DFB wykorzystują wbudowane siatki o niskim kontraście współczynnika załamania światła i niskim współczynniku odbicia. Lasery DBR wykorzystują siatki powierzchniowe o wysokim kontraście współczynnika załamania światła i wysokim współczynniku odbicia. Obie struktury mają duży wolny zakres widmowy i mogą dokonywać strojenia długości fali bez przeskoku modowego w zakresie kilku nanometrów, gdzie laser DBR ma szerszy zakres strojenia niż laser DBR.Laser DFB. Ponadto technologia optycznego sprzężenia zwrotnego z wnęką zewnętrzną, która wykorzystuje zewnętrzne elementy optyczne do sprzężenia zwrotnego światła wychodzącego z chipa lasera półprzewodnikowego i wybierania częstotliwości, może również realizować działanie lasera półprzewodnikowego o wąskiej szerokości linii.
(2) Lasery światłowodowe
Lasery światłowodowe charakteryzują się wysoką wydajnością konwersji pompy, dobrą jakością wiązki i wysoką wydajnością sprzęgania, co stanowi gorący temat badawczy w dziedzinie laserów. W dobie informacji lasery światłowodowe charakteryzują się dobrą kompatybilnością z obecnymi na rynku systemami komunikacji światłowodowej. Laser światłowodowy o pojedynczej częstotliwości, charakteryzujący się zaletami wąskiej szerokości linii, niskim poziomem szumów i dobrą koherencją, stał się jednym z ważnych kierunków jego rozwoju.
Działanie w pojedynczym 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. Wśród nich zasada działania jednoczęstotliwościowych laserów światłowodowych DFB i DBR jest podobna do zasady działania laserów półprzewodnikowych DFB i DBR.
Jak pokazano na rysunku 1, zadaniem lasera światłowodowego DFB jest wpisanie we włóknie rozproszonej siatki Bragga. Ponieważ na roboczą długość fali oscylatora wpływa okres światłowodu, tryb podłużny można wybrać poprzez rozproszone sprzężenie zwrotne siatki. Rezonator laserowy lasera DBR jest zwykle utworzony przez parę siatek Bragga z włókien, a pojedynczy mod podłużny jest wybierany głównie przez siatki Bragga wąskopasmowe i o niskim współczynniku odbicia. Jednakże ze względu na długi rezonator, złożoną strukturę i brak skutecznego mechanizmu dyskryminacji częstotliwości, wnęka pierścieniowa 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 listopada 2023 r