Dnes si představíme „monochromatický“ laser s extrémní šířkou čáry. Jeho vznik vyplňuje mezery v mnoha aplikačních oblastech laserů a v posledních letech se široce používá v detekci gravitačních vln, liDAR, distribuovaném snímání, vysokorychlostní koherentní optické komunikaci a dalších oblastech, což je „mise“, kterou nelze splnit pouze zlepšením výkonu laseru.
Co je to laser s úzkou šířkou čáry?
Termín „šířka čáry“ označuje šířku spektrální čáry laseru ve frekvenční doméně, která se obvykle kvantifikuje jako poloviční šířka spektra (FWHM). Šířku čáry ovlivňuje především spontánní záření excitovaných atomů nebo iontů, fázový šum, mechanické vibrace rezonátoru, teplotní jitter a další vnější faktory. Čím menší je hodnota šířky čáry, tím vyšší je čistota spektra, tj. tím lepší je monochromatika laseru. Lasery s takovými charakteristikami mají obvykle velmi malý fázový nebo frekvenční šum a velmi malý šum relativní intenzity. Zároveň čím menší je hodnota lineární šířky laseru, tím silnější je odpovídající koherence, která se projevuje jako extrémně dlouhá koherenční délka.
Realizace a aplikace úzkopásmového laseru
Vzhledem k omezené inherentní šířce čáry zisku pracovní látky laseru je téměř nemožné přímo realizovat výstup laseru s úzkou šířkou čáry spoléháním se pouze na tradiční oscilátor. Pro realizaci činnosti laseru s úzkou šířkou čáry je obvykle nutné použít filtry, mřížky a další zařízení k omezení nebo výběru podélného modulu ve spektru zisku, ke zvýšení čistého rozdílu zisku mezi podélnými módy tak, aby v laserovém rezonátoru existovalo několik nebo dokonce pouze jedno podélné kmitání módu. V tomto procesu je často nutné kontrolovat vliv šumu na laserový výstup a minimalizovat rozšíření spektrálních čar způsobené vibracemi a změnami teploty vnějšího prostředí. Zároveň lze také kombinovat analýzu spektrální hustoty fázového nebo frekvenčního šumu, aby se pochopil zdroj šumu a optimalizoval návrh laseru, a dosáhl se tak stabilního výstupu laseru s úzkou šířkou čáry.
Pojďme se podívat na realizaci provozu s úzkou šířkou čáry u několika různých kategorií laserů.
Polovodičové lasery mají výhody kompaktních rozměrů, vysoké účinnosti, dlouhé životnosti a ekonomických výhod.
Fabry-Perotův (FP) optický rezonátor používaný v tradičníchpolovodičové laseryobecně osciluje v multi-longitudinálním režimu a šířka výstupní čáry je relativně široká, takže je nutné zvýšit optickou zpětnou vazbu, aby se dosáhlo výstupu s úzkou šířkou čáry.
Distribuovaná zpětná vazba (DFB) a distribuovaný Braggův odraz (DBR) jsou dva typické polovodičové lasery s vnitřní optickou zpětnou vazbou. Díky malé rozteči mřížky a dobré selektivitě vlnové délky je snadné dosáhnout stabilního výstupu s úzkou šířkou čáry v jedné frekvenci. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma strukturami je umístění mřížky: struktura DFB obvykle rozkládá periodickou strukturu Braggovy mřížky po celém rezonátoru a rezonátor DBR se obvykle skládá z reflexní mřížkové struktury a oblasti zesílení integrované do koncového povrchu. Kromě toho lasery DFB používají vložené mřížky s nízkým kontrastem indexu lomu a nízkou odrazivostí. Lasery DBR používají povrchové mřížky s vysokým kontrastem indexu lomu a vysokou odrazivostí. Obě struktury mají široký volný spektrální rozsah a mohou provádět ladění vlnové délky bez skoku módu v rozsahu několika nanometrů, kde laser DBR má širší ladicí rozsah než...DFB laserTechnologie optické zpětné vazby s externí dutinou, která využívá externí optické prvky pro zpětnou vazbu odcházejícího světla polovodičového laserového čipu a výběr frekvence, umožňuje také úzký provoz polovodičového laseru s úzkou šířkou čáry.
(2) Vláknové lasery
Vláknové lasery se vyznačují vysokou účinností přeměny čerpacího paprsku, dobrou kvalitou paprsku a vysokou účinností vazby, což jsou žhavá témata výzkumu v oblasti laserů. V kontextu informačního věku mají vláknové lasery dobrou kompatibilitu se současnými optickými komunikačními systémy na trhu. Jednofrekvenční vláknový laser s výhodami úzké šířky čáry, nízkého šumu a dobré koherence se stal jedním z důležitých směrů jeho vývoje.
Jádrem vláknového laseru je provoz v jednom podélném módu pro dosažení úzkého výstupního čara. Jednofrekvenční vláknové lasery lze obvykle podle struktury rezonátoru rozdělit na typ DFB, typ DBR a typ kruh. Princip fungování jednofrekvenčních vláknových laserů DFB a DBR je podobný principu fungování polovodičových laserů DFB a DBR.
Jak je znázorněno na obrázku 1, vláknový laser DFB zapisuje do vlákna distribuovanou Braggovu mřížku. Protože pracovní vlnová délka oscilátoru je ovlivněna periodou vlákna, lze podélný mód zvolit pomocí distribuované zpětné vazby mřížky. Laserový rezonátor DBR laseru je obvykle tvořen dvojicí vláknových Braggových mřížek a jeden podélný mód je volen hlavně úzkopásmovými a nízkoreflexními vláknovými Braggovými mřížkami. Vzhledem k dlouhému rezonátoru, složité struktuře a nedostatku účinného mechanismu frekvenční diskriminace je však prstencová dutina náchylná k přeskakování módů a je obtížné stabilně pracovat v konstantním podélném módu po dlouhou dobu.
Obrázek 1, Dvě typické lineární struktury s jednou frekvencívláknové lasery
Čas zveřejnění: 27. listopadu 2023