Danes bomo predstavili »monokromatski« laser do skrajnosti – laser z ozko širino črte. Njegov pojav zapolnjuje vrzeli na številnih področjih uporabe laserja in se v zadnjih letih pogosto uporablja pri zaznavanju gravitacijskih valov, liDAR-ju, porazdeljenem zaznavanju, visokohitrostni koherentni optični komunikaciji in drugih področjih, kar je »poslanstvo«, ki ga ni mogoče izpolniti le z izboljšanjem laserske moči.
Kaj je laser z ozko širino črte?
Izraz »širina črte« se nanaša na spektralno širino črte laserja v frekvenčni domeni, ki jo običajno kvantificiramo kot polvrhovno polno širino spektra (FWHM). Na širino črte vplivajo predvsem spontano sevanje vzbujenih atomov ali ionov, fazni šum, mehanske vibracije resonatorja, temperaturno tresenje in drugi zunanji dejavniki. Manjša kot je vrednost širine črte, večja je čistost spektra, torej boljša je monokromatika laserja. Laserji s takimi lastnostmi imajo običajno zelo malo faznega ali frekvenčnega šuma in zelo malo šuma relativne intenzivnosti. Hkrati pa, manjša kot je vrednost linearne širine laserja, močnejša je ustrezna koherenca, ki se kaže kot izjemno dolga koherenčna dolžina.
Realizacija in uporaba laserja z ozko širino črte
Ker je inherentna širina črte ojačanja delovne snovi laserja omejena, je skoraj nemogoče neposredno doseči izhod laserja z ozko širino črte, zanašajoč se na sam tradicionalni oscilator. Za uresničitev delovanja laserja z ozko širino črte je običajno treba uporabiti filtre, rešetke in druge naprave za omejitev ali izbiro vzdolžnega modula v spektru ojačanja, povečanje neto razlike v ojačanju med vzdolžnimi modi, tako da je v laserskem resonatorju nekaj ali celo samo eno vzdolžno nihanje moda. Pri tem procesu je pogosto treba nadzorovati vpliv šuma na laserski izhod in zmanjšati širjenje spektralnih črt, ki ga povzročajo vibracije in temperaturne spremembe zunanjega okolja; hkrati pa se lahko to kombinira tudi z analizo spektralne gostote faznega ali frekvenčnega šuma, da se razume vir šuma in optimizira zasnova laserja, da se doseže stabilen izhod laserja z ozko širino črte.
Oglejmo si realizacijo delovanja ozke širine črte pri več različnih kategorijah laserjev.
Polprevodniški laserji imajo prednosti kompaktne velikosti, visoke učinkovitosti, dolge življenjske dobe in ekonomskih koristi.
Fabry-Perotov (FP) optični resonator, ki se uporablja v tradicionalnihpolprevodniški laserjiobičajno niha v več vzdolžnem načinu, širina izhodne črte pa je relativno široka, zato je treba povečati optično povratno zvezo, da se doseže ozka širina izhodne črte.
Porazdeljena povratna zanka (DFB) in porazdeljeni Bragg-ov odboj (DBR) sta dva tipična polprevodniška laserja z notranjo optično povratno zanko. Zaradi majhnega koraka rešetke in dobre selektivnosti valovnih dolžin je enostavno doseči stabilen izhod z ozko širino črte v eni frekvenci. Glavna razlika med obema strukturama je položaj rešetke: struktura DFB običajno porazdeli periodično strukturo Bragg-ove rešetke po celotnem resonatorju, resonator DBR pa je običajno sestavljen iz refleksijske rešetke in območja ojačanja, integriranega v končno površino. Poleg tega DFB laserji uporabljajo vgrajene rešetke z nizkim kontrastom lomnega količnika in nizko odbojnostjo. DBR laserji uporabljajo površinske rešetke z visokim kontrastom lomnega količnika in visoko odbojnostjo. Obe strukturi imata veliko prosto spektralno območje in lahko izvajata nastavitev valovne dolžine brez preskoka moda v območju nekaj nanometrov, kjer ima DBR laser širše območje nastavitve kot ...DFB laserPoleg tega lahko tehnologija optične povratne zanke z zunanjo votlino, ki uporablja zunanje optične elemente za povratno zanko odhajajoče svetlobe polprevodniškega laserskega čipa in izbiro frekvence, doseže tudi delovanje polprevodniškega laserja z ozko širino črte.
(2) Vlaknasti laserji
Vlaknasti laserji imajo visoko učinkovitost pretvorbe črpanja, dobro kakovost žarka in visoko učinkovitost sklopitve, kar so vroče raziskovalne teme na področju laserjev. V kontekstu informacijske dobe so vlaknasti laserji dobro združljivi s trenutnimi optičnimi komunikacijskimi sistemi na trgu. Enofrekvenčni vlaknasti laserji s prednostmi ozke širine linije, nizkega šuma in dobre koherence so postali ena od pomembnih smeri njihovega razvoja.
Enofrekvenčni longitudinalni način delovanja je jedro vlakenskega laserja za doseganje ozke širine linije izhoda. Običajno ga lahko glede na strukturo resonatorja razdelimo na tip DFB, tip DBR in tip obroča. Med njimi je princip delovanja enofrekvenčnih vlakenskih laserjev DFB in DBR podoben principu delovanja polprevodniških laserjev DFB in DBR.
Kot je prikazano na sliki 1, vlakenski laser DFB v vlakno vnese porazdeljeno Braggovo mrežico. Ker na delovno valovno dolžino oscilatorja vpliva periodna dolžina vlakna, se lahko vzdolžni način izbere s porazdeljeno povratno zanko mrežice. Laserski resonator laserja DBR je običajno sestavljen iz para vlakenskih Braggovih mrežic, en sam vzdolžni način pa je v glavnem izbran z ozkopasovnimi in nizko odbojnimi vlakenskimi Braggovimi mrežicami. Vendar pa je zaradi dolgega resonatorja, kompleksne strukture in pomanjkanja učinkovitega mehanizma za frekvenčno diskriminacijo obročasta votlina nagnjena k preskakovanju načinov, zato je težko stabilno delovati v konstantnem vzdolžnem načinu dlje časa.
Slika 1, Dve tipični linearni strukturi z eno frekvencovlakenski laserji
Čas objave: 27. november 2023