Dnes si představíme „monochromatický“ laser až do extrému – laser s úzkou šířkou čáry. Jeho vznik vyplňuje mezery v mnoha aplikačních oblastech laseru a v posledních letech byl široce používán v detekci gravitačních vln, liDAR, distribuovaném snímání, vysokorychlostní koherentní optické komunikaci a dalších oborech, což je „poslání“, které nelze splnit. dokončeno pouze zlepšením výkonu laseru.
Co je laser s úzkou šířkou čáry?
Pojem „šířka čáry“ se týká šířky spektrální čáry laseru ve frekvenční doméně, která se obvykle kvantifikuje jako poloviční maximální šířka spektra (FWHM). Šířku čáry ovlivňuje především spontánní záření excitovaných atomů nebo iontů, fázový šum, mechanické chvění rezonátoru, teplotní jitter a další vnější faktory. Čím menší je hodnota šířky čáry, tím vyšší je čistota spektra, tedy lepší monochromatičnost laseru. Lasery s takovými charakteristikami mají obvykle velmi malý fázový nebo frekvenční šum a velmi malý šum relativní intenzity. Zároveň platí, že čím menší je hodnota lineární šířky laseru, tím silnější je odpovídající koherence, která se projevuje jako extrémně dlouhá koherenční délka.
Realizace a aplikace úzkošířkového laseru
Omezeno vlastní šířkou čáry zisku pracovní substance laseru je téměř nemožné přímo realizovat výstup laseru s úzkou šířkou čáry spoléháním se na samotný tradiční oscilátor. Aby bylo možné realizovat provoz laseru s úzkou šířkou čáry, je obvykle nutné použít filtry, mřížky a další zařízení pro omezení nebo výběr podélného modulu ve spektru zisku, zvýšení rozdílu čistého zisku mezi podélnými režimy tak, aby byly málo nebo dokonce pouze jedna oscilace podélného vidu v laserovém rezonátoru. V tomto procesu je často nutné kontrolovat vliv šumu na výstup laseru a minimalizovat rozšíření spektrálních čar způsobených vibracemi a teplotními změnami vnějšího prostředí; Současně může být také kombinován s analýzou spektrální hustoty fázového nebo frekvenčního šumu pro pochopení zdroje šumu a optimalizaci konstrukce laseru, aby se dosáhlo stabilního výkonu laseru s úzkou šířkou čáry.
Podívejme se na realizaci úzkého provozu několika různých kategorií laserů.
Polovodičové lasery mají výhody kompaktní velikosti, vysoké účinnosti, dlouhé životnosti a ekonomických výhod.
Fabry-Perot (FP) optický rezonátor používaný v tradičnímpolovodičové laseryobecně osciluje v multi-podélném režimu a šířka výstupní čáry je relativně široká, takže je nutné zvýšit optickou zpětnou vazbu, aby se získal výstup o úzké šířce 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 vlnových délek je snadné dosáhnout stabilního jednofrekvenčního výstupu s úzkou šířkou vedení. Hlavním rozdílem mezi těmito dvěma strukturami je poloha mřížky: struktura DFB obvykle rozděluje periodickou strukturu Braggovy mřížky po celém rezonátoru a rezonátor DBR se obvykle skládá ze struktury odrazné mřížky a oblasti zisku integrované do koncový povrch. DFB lasery navíc používají vestavěné 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 velký volný spektrální rozsah a mohou provádět ladění vlnové délky bez skoku režimu v rozsahu několika nanometrů, kde DBR laser má širší rozsah ladění nežDFB laser. Kromě toho technologie optické zpětné vazby s vnější dutinou, která využívá externí optické prvky ke zpětné vazbě odcházejícího světla polovodičového laserového čipu a výběru frekvence, může také realizovat provoz polovodičového laseru s úzkou šířkou čáry.
(2) Vláknové lasery
Vláknové lasery mají vysokou účinnost konverze čerpadla, dobrou kvalitu paprsku a vysokou účinnost vazby, což jsou žhavá témata výzkumu v oblasti laserů. V kontextu informačního věku mají vláknové lasery dobrou kompatibilitu se současnými komunikačními systémy s optickými vlákny na trhu. Jednofrekvenční vláknový laser s výhodami úzké šířky čáry, nízkého šumu a dobré koherence se stal jedním z důležitých směrů jeho vývoje.
Provoz s jedním podélným režimem je jádrem vláknového laseru pro dosažení úzké šířky čáry, obvykle podle struktury rezonátoru jednofrekvenčního vláknového laseru lze rozdělit na typ DFB, typ DBR a typ prstence. Mezi nimi je pracovní princip jednofrekvenčních vláknových laserů DFB a DBR podobný jako u polovodičových laserů DFB a DBR.
Jak je znázorněno na obrázku 1, vláknový laser DFB zapisuje distribuovanou Braggovu mřížku do vlákna. Protože pracovní vlnová délka oscilátoru je ovlivněna periodou vlákna, lze podélný režim zvolit pomocí distribuované zpětné vazby mřížky. Laserový rezonátor DBR laseru je obvykle tvořen dvojicí vláknových Braggových mřížek a jediný podélný režim je převážně volen úzkopásmovými a vláknovými Braggovými mřížkami s nízkou odrazivostí. Avšak kvůli svému dlouhému rezonátoru, složité struktuře a nedostatku účinného mechanismu frekvenční diskriminace je prstencovitá dutina náchylná k přeskakování režimu a je obtížné pracovat stabilně v konstantním podélném režimu po dlouhou dobu.
Obrázek 1, Dvě typické lineární struktury jedné frekvencevláknové lasery
Čas odeslání: 27. listopadu 2023