Co to jestlaser o wąskiej szerokości linii?
Laser o wąskiej szerokości linii. Termin „szerokość linii” odnosi się do szerokości linii widmowejlaserw dziedzinie częstotliwości, która jest zwykle określana ilościowo w kategoriach pełnej szerokości półszczytu widma (FWHM). Na szerokość linii wpływa głównie spontaniczne promieniowanie wzbudzonych atomów lub jonów, szum fazowy, drgania mechaniczne rezonatora, jitter temperaturowy i inne czynniki zewnętrzne. Im mniejsza wartość szerokości linii, tym wyższa 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 koherencja, 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 Laser) 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 lasera 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.
W 1960 roku pierwszy na świecie laser rubinowy był laserem na ciele stałym, charakteryzującym się wysoką energią wyjściową i szerszym zakresem długości fali. Unikalna struktura przestrzenna lasera na ciele stałym zwiększa jego elastyczność w projektowaniu wyjść o wąskiej szerokości linii. Obecnie do głównych stosowanych metod należą: metoda krótkiej wnęki rezonansowej, metoda jednokierunkowej wnęki pierścieniowej, metoda wzorca wewnątrzwnękowego, metoda wnęki rezonansowej z trybem wahadła skrętnego, metoda objętościowej siatki Bragga oraz metoda zarodkowania.
Czas publikacji: 03-06-2025