Astăzi, vom introduce un laser „monocromatic” la extrem – laser cu lățime de linie îngustă. Apariția sa umple golurile din multe domenii de aplicare ale laserului, iar în ultimii ani a fost utilizat pe scară largă în detectarea undelor gravitaționale, liDAR, detecție distribuită, comunicare optică coerentă de mare viteză și alte domenii, care este o „misiune” care nu poate fi completat doar prin îmbunătățirea puterii laserului.
Ce este un laser cu lățime de linie îngustă?
Termenul „lățime de linie” se referă la lățimea liniei spectrale a laserului în domeniul frecvenței, care este de obicei cuantificată în termeni de lățimea completă a semi-vârf a spectrului (FWHM). Lățimea liniei este afectată în principal de radiația spontană a atomilor sau ionilor excitați, zgomotul de fază, vibrația mecanică a rezonatorului, fluctuația de temperatură și alți factori externi. Cu cât este mai mică valoarea lățimii liniei, cu atât este mai mare puritatea spectrului, adică cu atât monocromaticitatea laserului este mai bună. Laserele cu astfel de caracteristici au de obicei foarte puțin zgomot de fază sau 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, care se manifestă ca o lungime de coerență extrem de mare.
Realizarea și aplicarea laserului cu lățime de linie îngustă
Limitat de lățimea de linie de câștig inerentă a substanței de lucru a laserului, este aproape imposibil să se realizeze direct ieșirea laserului cu lățime de linie îngustă, bazându-se pe oscilatorul tradițional însuși. Pentru a realiza funcționarea laserului cu lățime de linie îngustă, este de obicei necesar să folosiți filtre, grătare și alte dispozitive pentru a limita sau selecta modulul longitudinal în spectrul câștigului, crește diferența de câștig net între modurile longitudinale, astfel încât să existe o puţine sau chiar o singură oscilaţie în modul longitudinal în rezonatorul laser. În acest proces, este adesea necesar să se controleze influența zgomotului asupra ieșirii laserului și să se minimizeze lărgirea liniilor spectrale cauzate de vibrațiile și schimbările de temperatură ale mediului extern; În același timp, poate fi combinat și cu analiza densității spectrale a zgomotului de fază sau frecvență pentru a înțelege sursa de zgomot și a optimiza designul laserului, astfel încât să se obțină o ieșire stabilă a laserului cu lățime de linie îngustă.
Să aruncăm o privire la realizarea operațiunii cu lățime de linie îngustă a mai multor categorii diferite de lasere.
Laserele cu semiconductor au avantajele dimensiunilor compacte, eficienței ridicate, duratei de viață lungi și beneficiilor economice.
Rezonatorul optic Fabry-Perot (FP) utilizat în mod tradiționallasere semiconductoareîn general, oscilează în modul multi-longitudinal, iar lățimea liniei de ieșire este relativ largă, deci este necesar să creșteți feedback-ul optic pentru a obține o ieșire cu lățimea liniei înguste.
Feedback distribuit (DFB) și reflexia Bragg distribuită (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 de lățime de linie îngustă cu o singură frecvență. Principala diferență dintre cele două structuri este poziția rețelei: structura DFB distribuie de obicei structura periodică a rețelei Bragg în întregul rezonator, iar rezonatorul DBR este de obicei compus din structura rețelei de reflexie și regiunea de câștig integrată în suprafața de capăt. În plus, laserele DFB folosesc rețele încorporate cu indice de refracție scăzut și reflectivitate scăzută. Laserele DBR folosesc rețele de suprafață cu contrast ridicat de indice de refracție și reflectivitate ridicată. Ambele structuri au o gamă spectrală liberă mare și pot efectua reglarea lungimii de undă fără sărituri de mod în intervalul de câțiva nanometri, unde laserul DBR are o gamă de reglare mai largă decâtLaser DFB. În plus, tehnologia de feedback optică cu cavitate externă, care utilizează elemente optice externe pentru a reacționa lumina de ieșire a cipului laser semiconductor și pentru a selecta frecvența, poate realiza, de asemenea, funcționarea cu lățime de linie îngustă a laserului semiconductor.
(2) Laser cu fibră
Laserele cu fibră au o eficiență ridicată de conversie a pompei, o calitate bună a fasciculului și o eficiență ridicată de cuplare, care sunt subiectele fierbinți de cercetare în domeniul laserului. În contextul erei informației, laserele cu fibră au o bună compatibilitate cu sistemele actuale de comunicații cu fibră optică de pe piață. Laserul cu fibră cu o singură frecvență cu avantajele lățimii liniei înguste, zgomot redus și coerență bună a devenit una dintre direcțiile importante ale dezvoltării sale.
Funcționarea cu un singur mod longitudinal este nucleul laserului cu fibră pentru a obține o ieșire cu lățime de linie îngustă, de obicei, în funcție de structura rezonatorului laserului cu o singură frecvență, poate fi împărțit în tip DFB, tip DBR și tip inel. 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 trebuie să scrie rețeaua 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 laser al laserului DBR este format de obicei dintr-o pereche de rețele Bragg cu fibre, iar modul longitudinal unic este selectat în principal prin rețele Bragg cu bandă îngustă și cu reflectivitate scăzută. Cu toate acestea, din cauza rezonatorului lung, a structurii complexe și a lipsei unui mecanism eficient de discriminare a frecvenței, cavitatea în formă de inel este predispusă la saltul de mod și este dificil să lucrezi stabil în modul longitudinal constant pentru o lungă perioadă de timp.
Figura 1, Două structuri liniare tipice de o singură frecvențălasere cu fibră
Ora postării: 27-nov-2023