Astăzi, vom introduce un laser „monocromatic” extrem – laserul cu lățime de linie îngustă. Apariția sa umple golurile din multe domenii de aplicare ale laserului și, în ultimii ani, a fost utilizat pe scară largă în detectarea undelor gravitaționale, liDAR, detectarea distribuită, comunicațiile optice coerente de mare viteză și alte domenii, o „misiune” care nu poate fi îndeplinită doar prin îmbunătățirea puterii laserului.
Ce este un laser cu lățime de linie îngustă?
Termenul „lățime a liniei” se referă la lățimea spectrală a liniei laserului în domeniul frecvenței, care este de obicei cuantificată în termeni de lățime completă a spectrului la jumătate de vârf (FWHM). Lățimea liniei este afectată în principal de radiația spontană a atomilor sau ionilor excitați, zgomotul de fază, vibrațiile mecanice ale rezonatorului, fluctuațiile de temperatură și alți factori externi. Cu cât valoarea lățimii liniei este mai mică, cu atât puritatea spectrului este mai mare, adică, cu atât monocromaticitatea laserului este mai bună. Laserele cu astfel de caracteristici au de obicei foarte puțin zgomot de fază sau de frecvență și foarte puțin zgomot de intensitate relativă. În același timp, cu cât valoarea lățimii liniare a laserului este mai mică, cu atât coerența corespunzătoare este mai puternică, ceea ce se manifestă printr-o lungime de coerență extrem de lungă.
Realizarea și aplicarea laserului cu lățime de linie îngustă
Limitată de lățimea de linie inerentă a câștigului substanței de lucru a laserului, este aproape imposibil să se realizeze direct ieșirea laserului cu lățime de linie îngustă bazându-se pe oscilatorul tradițional în sine. Pentru a realiza funcționarea laserului cu lățime de linie îngustă, este de obicei necesar să se utilizeze filtre, grile și alte dispozitive pentru a limita sau selecta modulul longitudinal în spectrul de câștig, pentru a crește diferența de câștig net dintre modurile longitudinale, astfel încât să existe puține sau chiar o singură oscilație a modului longitudinal în rezonatorul laser. În acest proces, este adesea necesar să se controleze influența zgomotului asupra ieșirii laserului și să se minimizeze lățirea liniilor spectrale cauzată de vibrațiile și schimbările de temperatură ale mediului extern; În același timp, se poate combina și cu analiza densității spectrale a zgomotului de fază sau de frecvență pentru a înțelege sursa zgomotului și a optimiza designul laserului, astfel încât să se obțină un ieșire stabilă a laserului cu lățime de linie îngustă.
Să aruncăm o privire asupra realizării funcționării cu lățime de linie îngustă a mai multor categorii diferite de lasere.
Laserele semiconductoare au avantajele dimensiunilor compacte, eficienței ridicate, duratei lungi de viață și beneficiilor economice.
Rezonatorul optic Fabry-Perot (FP) utilizat în sistemele tradiționalelasere semiconductoareîn general oscilează în mod multi-longitudinal, iar lățimea liniei de ieșire este relativ mare, așa că este necesară creșterea feedback-ului optic pentru a obține o ieșire cu o lățime a liniei îngustă.
Feedback-ul distribuit (DFB) și reflexia distribuită Bragg (DBR) sunt două lasere semiconductoare cu feedback optic intern tipice. Datorită pasului mic al rețelei și selectivității bune a lungimii de undă, este ușor să se obțină o ieșire stabilă cu lățime de linie îngustă la o singură frecvență. Principala diferență dintre cele două structuri este poziția rețelei: structura DFB distribuie de obicei structura periodică a rețelei Bragg în tot rezonatorul, iar rezonatorul DBR este de obicei compus din structura rețelei de reflexie și regiunea de câștig integrată în suprafața finală. În plus, laserele DFB utilizează rețele încorporate cu contrast scăzut al indicelui de refracție și reflectivitate scăzută. Laserele DBR utilizează rețele de suprafață cu contrast ridicat al indicelui de refracție și reflectivitate ridicată. Ambele structuri au o gamă spectrală liberă largă și pot efectua reglarea lungimii de undă fără salt de mod în intervalul de câțiva nanometri, unde laserul DBR are o gamă de reglare mai largă decât...Laser DFBÎn plus, tehnologia de feedback optic cu cavitate externă, care utilizează elemente optice externe pentru a transmite feedback de lumina emisă de cipurile laser semiconductoare și a selecta frecvența, poate realiza, de asemenea, funcționarea cu lățime de linie îngustă a laserului semiconductor.
(2) Lasere cu fibră
Laserele cu fibră au o eficiență ridicată de conversie a pompei, o calitate bună a fasciculului și o eficiență ridicată de cuplare, acestea fiind subiecte de cercetare de mare interes în domeniul laserelor. În contextul erei informației, laserele cu fibră au o bună compatibilitate cu sistemele actuale de comunicații prin fibră optică de pe piață. Laserul cu fibră unică, cu avantajele lățimii înguste a liniei, zgomotului redus și coerenței bune, a devenit una dintre direcțiile importante ale dezvoltării sale.
Funcționarea în mod longitudinal unic este esențială pentru laserele cu fibră, pentru a obține o ieșire cu lățime de linie îngustă. De obicei, în funcție de structura rezonatorului, laserele cu fibră cu o singură frecvență pot fi împărțite în tipuri DFB, DBR și inelare. Printre acestea, principiul de funcționare al laserelor cu fibră cu o singură frecvență DFB și DBR este similar cu cel al laserelor semiconductoare DFB și DBR.
După cum se arată în Figura 1, laserul cu fibră DFB are rolul de a scrie o rețea Bragg distribuită în fibră. Deoarece lungimea de undă de lucru a oscilatorului este afectată de perioada fibrei, modul longitudinal poate fi selectat prin feedback-ul distribuit al rețelei. Rezonatorul laserului DBR este de obicei format dintr-o pereche de rețele Bragg cu fibră, iar modul longitudinal unic este selectat în principal prin rețele Bragg cu bandă îngustă și reflectivitate redusă. Cu toate acestea, din cauza rezonatorului său lung, a structurii complexe și a lipsei unui mecanism eficient de discriminare a frecvenței, cavitatea inelară este predispusă la salt de mod și este dificil să funcționeze stabil în mod longitudinal constant pentru o perioadă lungă de timp.
Figura 1, Două structuri liniare tipice de frecvență unicălasere cu fibră
Data publicării: 27 noiembrie 2023