Dnes si predstavíme „monochromatický“ laser s extrémnou dĺžkou – laser s úzkou šírkou čiary. Jeho vznik vypĺňa medzery v mnohých aplikačných oblastiach laserov 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 splniť len zlepšením výkonu laseru.
Čo je to laser s úzkou šírkou čiary?
Termín „šírka čiary“ sa vzťahuje na šírku spektrálnej čiary laseru vo frekvenčnej oblasti, ktorá sa zvyčajne kvantifikuje ako polovičná šírka spektra (FWHM). Šírku čiary ovplyvňuje najmä spontánne žiarenie excitovaných atómov alebo iónov, fázový šum, mechanické vibrácie rezonátora, teplotné chvenie a ďalšie vonkajšie faktory. Čím menšia je hodnota šírky čiary, tým vyššia je čistota spektra, teda tým lepšia je monochromatika laseru. Lasery s takýmito charakteristikami majú zvyčajne veľmi malý fázový alebo frekvenčný šum a veľmi malý šum relatívnej intenzity. Zároveň, čím menšia je hodnota lineárnej šírky laseru, tým silnejšia je zodpovedajúca koherencia, ktorá sa prejavuje ako extrémne dlhá koherenčná dĺžka.
Realizácia a aplikácia laseru s úzkou šírkou čiary
Vzhľadom na obmedzenie inherentnej šírky čiary zisku pracovnej látky laseru je takmer nemožné priamo realizovať výstup laseru s úzkou šírkou čiary spoliehaním sa na samotný tradičný oscilátor. Na realizáciu prevádzky laseru s úzkou šírkou čiary je zvyčajne potrebné použiť filtre, mriežky a iné zariadenia na obmedzenie alebo výber pozdĺžneho modulu v spektre zisku, zvýšiť čistý rozdiel zisku medzi pozdĺžnymi módmi tak, aby v laserovom rezonátore bolo niekoľko alebo dokonca iba jeden pozdĺžny mód oscilácie. V tomto procese je často potrebné kontrolovať vplyv šumu na laserový výstup a minimalizovať rozšírenie spektrálnych čiar spôsobené vibráciami a zmenami teploty vonkajšieho prostredia. Zároveň je možné kombinovať aj analýzu spektrálnej hustoty fázového alebo frekvenčného šumu, aby sa pochopil zdroj šumu a optimalizoval návrh laseru, aby sa dosiahol stabilný výstup laseru s úzkou šírkou čiary.
Pozrime sa na realizáciu prevádzky s úzkou šírkou čiary niekoľkých rôznych kategórií laserov.
Polovodičové lasery majú výhody kompaktných rozmerov, vysokej účinnosti, dlhej životnosti a ekonomických výhod.
Fabry-Perotov (FP) optický rezonátor používaný v tradičnýchpolovodičové laseryvo všeobecnosti osciluje v multi-pozdĺžnom režime a šírka výstupnej čiary je relatívne široká, takže je potrebné zvýšiť optickú spätnú väzbu, aby sa dosiahol výstup s úzkou šírkou čiary.
Distribuovaná spätná väzba (DFB) a distribuovaný Braggov odraz (DBR) sú dva typické polovodičové lasery s vnútornou optickou spätnou väzbou. Vďaka malému rozstupu mriežky a dobrej selektivite vlnovej dĺžky je ľahké dosiahnuť stabilný výstup s úzkou šírkou čiary v jednej frekvencii. Hlavný rozdiel medzi týmito dvoma štruktúrami je umiestnenie mriežky: štruktúra DFB zvyčajne rozdeľuje periodickú štruktúru Braggovej mriežky po celom rezonátore a rezonátor DBR sa zvyčajne skladá z reflexnej mriežkovej štruktúry a oblasti zosilnenia integrovanej do koncového povrchu. Okrem toho DFB lasery používajú vstavané mriežky s nízkym kontrastom indexu lomu a nízkou odrazivosťou. DBR lasery používajú povrchové mriežky s vysokým kontrastom indexu lomu a vysokou odrazivosťou. Obe štruktúry majú široký voľný spektrálny rozsah a dokážu vykonávať ladenie vlnovej dĺžky bez skoku módu v rozsahu niekoľkých nanometrov, pričom DBR laser má širší ladiaci rozsah ako...DFB laserOkrem toho technológia optickej spätnej väzby s vonkajšou dutinou, ktorá využíva externé optické prvky na spätnú väzbu odchádzajúceho svetla polovodičového laserového čipu a výber frekvencie, dokáže realizovať aj úzku šírku čiary polovodičového laseru.
(2) Vláknové lasery
Vláknové lasery majú vysokú účinnosť konverzie čerpadla, dobrú kvalitu lúča a vysokú účinnosť väzby, čo sú horúce témy výskumu 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, nízkeho šumu a dobrej koherencie sa stal jedným z dôležitých smerov jeho vývoja.
Jednofrekvenčné longitudinálne režimy vláknového laseru sú jadrom jeho činnosti na dosiahnutie úzkeho výstupného čiarového vedenia. Podľa štruktúry rezonátora sa jednofrekvenčné vláknové lasery delia na typy DFB, DBR a kruhové. Princíp fungovania jednofrekvenčných vláknových laserov DFB a DBR je podobný princípu fungovania polovodičových laserov DFB a DBR.
Ako je znázornené na obrázku 1, vláknový laser DFB zapisuje do vlákna distribuovanú Braggovu mriežku. Pretože pracovná vlnová dĺžka oscilátora je ovplyvnená periódou vlákna, pozdĺžny mód je možné zvoliť prostredníctvom distribuovanej spätnej väzby mriežky. Laserový rezonátor DBR laseru je zvyčajne tvorený dvojicou vláknových Braggových mriežok a jeden pozdĺžny mód je vybraný prevažne úzkopásmovými a nízkoodrazovými vláknovými Braggovými mriežkami. Avšak kvôli dlhému rezonátoru, zložitej štruktúre a nedostatku účinného mechanizmu frekvenčnej diskriminácie je prstencová dutina náchylná na preskakovanie módov a je ťažké dlhodobo stabilne pracovať v konštantnom pozdĺžnom móde.
Obrázok 1, Dve typické lineárne štruktúry s jednou frekvenciouvláknové lasery
Čas uverejnenia: 27. novembra 2023