Danes bomo ekstremno predstavili "monokromatski" laser - laser z ozko črto.Njegov pojav zapolnjuje vrzeli na številnih področjih uporabe laserja in se v zadnjih letih pogosto uporablja pri zaznavanju gravitacijskih valov, liDAR, porazdeljenem zaznavanju, hitri koherentni optični komunikaciji in drugih področjih, kar je »misija«, ki je ni mogoče dokončati le z izboljšanjem moči laserja.
Kaj je laser z ozko črto?
Izraz »širina črte« se nanaša na širino spektralne črte laserja v frekvenčni domeni, ki je običajno kvantificirana v smislu polne širine spektra (FWHM) polnega vrha.Na širino črte vplivajo predvsem spontano sevanje vzbujenih atomov ali ionov, fazni šum, mehanske vibracije resonatorja, temperaturno nihanje in drugi zunanji dejavniki.Manjša kot je vrednost širine črte, večja je čistost spektra, torej boljša je monokromatičnost laserja.Laserji s takimi značilnostmi imajo običajno zelo malo faznega ali frekvenčnega šuma in zelo malo šuma relativne intenzivnosti.Hkrati pa velja, da manjša kot je vrednost linearne širine laserja, močnejša je ustrezna koherenca, ki se kaže kot izjemno dolga koherenčna dolžina.
Izvedba in uporaba laserja ozke črte
Omejeno z inherentno ojačano širino črte delovne snovi laserja, je skoraj nemogoče neposredno realizirati izhod laserja z ozko širino črte z zanašanjem 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 ojačenja, povečanje razlike neto ojačenja med vzdolžnima načinoma, tako da obstaja nekaj ali celo samo en longitudinalni način nihanja v laserskem resonatorju.V tem procesu je pogosto treba nadzorovati vpliv hrupa na laserski izhod in minimizirati širjenje spektralnih linij, ki ga povzročajo vibracije in temperaturne spremembe zunanjega okolja;Hkrati ga je mogoče kombinirati tudi z analizo spektralne gostote faznega ali frekvenčnega šuma, da bi razumeli vir šuma in optimizirali zasnovo laserja, da bi dosegli stabilen izhod laserja z ozko črto.
Oglejmo si izvedbo ozkoširinskega delovanja več različnih kategorij laserjev.
Prednosti polprevodniških laserjev so kompaktna velikost, visoka učinkovitost, dolga življenjska doba in gospodarske koristi.
Optični resonator Fabry-Perot (FP), ki se uporablja v tradicionalnihpolprevodniški laserjina splošno niha v večdolžinskem načinu, širina izhodne črte pa je relativno široka, zato je treba povečati optično povratno informacijo, da dobimo izhod ozke širine črte.
Porazdeljena povratna informacija (DFB) in porazdeljena Braggova refleksija (DBR) sta dva tipična notranja optična povratna polprevodniška laserja.Zaradi majhnega koraka rešetke in dobre selektivnosti valovne dolžine je enostavno doseči stabilen enofrekvenčni izhod z ozko širino črte.Glavna razlika med obema strukturama je položaj rešetke: struktura DFB običajno porazdeli periodično strukturo Braggove mreže po celotnem resonatorju, resonator DBR pa je običajno sestavljen iz strukture refleksijske rešetke in območja ojačenja, integriranega v končna površina.Poleg tega laserji DFB uporabljajo vgrajene rešetke z nizkim kontrastom lomnega količnika in nizko odbojnostjo.Laserji DBR uporabljajo površinske rešetke z visokim kontrastom lomnega količnika in visoko odbojnostjo.Obe strukturi imata velik prosti spektralni razpon in lahko izvajata uravnavanje valovne dolžine brez preskoka načina v območju nekaj nanometrov, pri čemer ima laser DBR širši razpon uglaševanja kotDFB laser.Poleg tega lahko tehnologija optične povratne informacije z zunanjo votlino, ki uporablja zunanje optične elemente za povratno informacijo o izhodni svetlobi polprevodniškega laserskega čipa in izbiro frekvence, prav tako uresniči delovanje ozke širine črte polprevodniškega laserja.
(2) Vlakneni laserji
Vlakneni laserji imajo visoko učinkovitost pretvorbe črpalke, dobro kakovost žarka in visoko učinkovitost sklopitve, kar so vroče raziskovalne teme na laserskem področju.V kontekstu informacijske dobe so vlakneni laserji dobro združljivi s trenutnimi optičnimi komunikacijskimi sistemi na trgu.Enofrekvenčni vlakneni laser s prednostmi ozke širine linije, nizkega šuma in dobre koherence je postal ena od pomembnih smeri njegovega razvoja.
Delovanje z enojnim vzdolžnim načinom je jedro laserja z vlakni za doseganje izhodne širine ozke črte, običajno glede na strukturo resonatorja lahko enofrekvenčni laser z vlakni razdelimo na tip DFB, tip DBR in tip obroča.Med njimi je načelo delovanja enofrekvenčnih vlaknenih laserjev DFB in DBR podobno kot pri polprevodniških laserjih DFB in DBR.
Kot je prikazano na sliki 1, je optični laser DFB namenjen zapisovanju porazdeljene Braggove mreže v vlakno.Ker na delovno valovno dolžino oscilatorja vpliva perioda vlakna, je mogoče vzdolžni način izbrati s porazdeljeno povratno zvezo rešetke.Laserski resonator laserja DBR je običajno sestavljen iz para vlaknenih Braggovih rešetk, en sam vzdolžni način pa je v glavnem izbran z ozkopasovnimi in nizkoodbojnimi vlaknenimi Braggovimi mrežami.Vendar pa je obročasta votlina zaradi svojega dolgega resonatorja, zapletene strukture in pomanjkanja učinkovitega frekvenčnega diskriminacijskega mehanizma nagnjena k skakanju načina in je težko dolgo časa stabilno delovati v konstantnem vzdolžnem načinu.
Slika 1, dve tipični linearni strukturi ene frekvencevlakneni laserji
Čas objave: 27. nov. 2023