Dnes si predstavíme „monochromatický“ laser do extrému – laser s úzkou šírkou čiary. Jeho vznik vypĺňa medzery v mnohých aplikačných oblastiach lasera a v posledných rokoch sa široko používa v detekcii gravitačných vĺn, liDAR, distribuovanom snímaní, vysokorýchlostnej koherentnej optickej komunikácii a ďalších oblastiach, čo je „misia“, ktorú nemožno dokončené iba zlepšením výkonu lasera.
Čo je laser s úzkou šírkou čiary?
Pojem „šírka čiary“ sa vzťahuje na šírku spektrálnej čiary lasera vo frekvenčnej doméne, ktorá sa zvyčajne kvantifikuje ako polovičná maximálna šírka spektra (FWHM). Na šírku čiary má vplyv najmä spontánne vyžarovanie excitovaných atómov alebo iónov, fázový šum, mechanické kmitanie rezonátora, teplotný jitter a iné vonkajšie faktory. Čím menšia je hodnota šírky čiary, tým vyššia je čistota spektra, teda lepšia monochromatickosť lasera. Lasery s takýmito charakteristikami majú zvyčajne veľmi malý fázový alebo frekvenčný šum a veľmi malý šum relatívnej intenzity. Zároveň platí, že čím menšia je hodnota lineárnej šírky lasera, tým silnejšia je zodpovedajúca koherencia, ktorá sa prejavuje ako extrémne dlhá koherenčná dĺžka.
Realizácia a aplikácia lasera s úzkou šírkou čiary
Obmedzené vlastnou šírkou zosilnenia pracovnej látky lasera, je takmer nemožné priamo realizovať výstup lasera s úzkou šírkou čiary spoliehaním sa na samotný tradičný oscilátor. Na realizáciu prevádzky lasera s úzkou šírkou čiary je zvyčajne potrebné použiť filtre, mriežky a iné zariadenia na obmedzenie alebo výber pozdĺžneho modulu v spektre zisku, zvýšenie rozdielu čistého zisku medzi pozdĺžnymi režimami tak, aby existoval málo alebo dokonca iba jedna oscilácia pozdĺžneho vidu v laserovom rezonátore. V tomto procese je často potrebné kontrolovať vplyv šumu na výstup lasera a minimalizovať rozšírenie spektrálnych čiar spôsobených vibráciami a teplotnými zmenami vonkajšieho prostredia; Zároveň sa dá kombinovať s analýzou spektrálnej hustoty fázového alebo frekvenčného šumu, aby sa pochopil zdroj hluku a optimalizovala sa konštrukcia lasera, aby sa dosiahol stabilný výkon lasera s úzkou šírkou čiary.
Pozrime sa na realizáciu úzkej šírky čiary niekoľkých rôznych kategórií laserov.
Polovodičové lasery majú výhody kompaktných rozmerov, vysokej účinnosti, dlhej životnosti a ekonomických výhod.
Fabry-Perot (FP) optický rezonátor používaný v tradičnompolovodičové laseryvo všeobecnosti osciluje v multi-pozdĺžnom režime a šírka výstupnej čiary je relatívne široká, takže je potrebné zvýšiť optickú spätnú väzbu, aby sa získal výstup s úzkou šírkou čiary.
Distribuovaná spätná väzba (DFB) a distribuovaný Braggov odraz (DBR) sú dva typické interné polovodičové lasery s optickou spätnou väzbou. Vďaka malému rozstupu mriežky a dobrej selektivite vlnovej dĺžky je ľahké dosiahnuť stabilný jednofrekvenčný výstup s úzkou šírkou čiary. Hlavným rozdielom medzi týmito dvoma štruktúrami je poloha mriežky: štruktúra DFB zvyčajne distribuuje periodickú štruktúru Braggovej mriežky po celom rezonátore a rezonátor DBR sa zvyčajne skladá zo štruktúry odrazovej mriežky a oblasti zisku integrovanej do koncový povrch. Okrem toho lasery DFB používajú zabudované mriežky s nízkym kontrastom indexu lomu a nízkou odrazivosťou. Lasery DBR využívajú povrchové mriežky s vysokým kontrastom indexu lomu a vysokou odrazivosťou. Obe štruktúry majú veľký voľný spektrálny rozsah a môžu vykonávať ladenie vlnovej dĺžky bez skoku režimu v rozsahu niekoľkých nanometrov, kde DBR laser má širší rozsah ladenia akoDFB laser. Okrem toho technológia optickej spätnej väzby vonkajšej dutiny, ktorá využíva externé optické prvky na spätnú väzbu odchádzajúceho svetla polovodičového laserového čipu a výber frekvencie, môže tiež realizovať prevádzku polovodičového lasera s úzkou šírkou čiary.
(2) Vláknové lasery
Vláknové lasery majú vysokú účinnosť konverzie čerpadla, dobrú kvalitu lúča a vysokú účinnosť väzby, čo sú horúce výskumné témy v oblasti laserov. V kontexte informačného veku majú vláknové lasery dobrú kompatibilitu so súčasnými optickými komunikačnými systémami na trhu. Jednofrekvenčný vláknový laser s výhodami úzkej šírky čiary, nízkej hlučnosti a dobrej koherencie sa stal jedným z dôležitých smerov jeho vývoja.
Prevádzka s jedným pozdĺžnym režimom je jadrom vláknového lasera na dosiahnutie úzkej šírky linky, zvyčajne podľa štruktúry rezonátora jednofrekvenčného vláknového lasera možno rozdeliť na typ DFB, typ DBR a typ prstenca. Medzi nimi je pracovný princíp jednofrekvenčných vláknových laserov DFB a DBR podobný ako pri polovodičových laseroch DFB a DBR.
Ako je znázornené na obrázku 1, vláknový laser DFB zapisuje distribuovanú Braggovu mriežku do vlákna. Pretože pracovná vlnová dĺžka oscilátora je ovplyvnená periódou vlákna, pozdĺžny režim je možné zvoliť pomocou distribuovanej spätnej väzby mriežky. Laserový rezonátor DBR lasera je zvyčajne tvorený dvojicou vláknových Braggových mriežok a jediný pozdĺžny režim je vybraný hlavne vláknovými Braggovými mriežkami s úzkym pásmom a nízkou odrazivosťou. Avšak kvôli svojmu dlhému rezonátoru, komplexnej štruktúre a nedostatku účinného mechanizmu frekvenčnej diskriminácie je prstencová dutina náchylná na skákanie v režime a je ťažké pracovať stabilne v konštantnom pozdĺžnom režime po dlhú dobu.
Obrázok 1, Dve typické lineárne štruktúry s jednou frekvenciouvláknové lasery
Čas odoslania: 27. novembra 2023