Сьогодні ми представимо «монохроматичний» лазер екстремального класу – лазер з вузькою шириною лінії. Його поява заповнює прогалини в багатьох галузях застосування лазерів, і в останні роки він широко використовується у виявленні гравітаційних хвиль, лідарі, розподіленому зондуванні, високошвидкісному когерентному оптичному зв'язку та інших галузях, що є «місією», яку неможливо виконати лише шляхом покращення потужності лазера.
Що таке лазер з вузькою шириною лінії?
Термін «ширина лінії» стосується ширини спектральної лінії лазера в частотній області, яка зазвичай вимірюється як ширина спектра на півпіку (FWHM). На ширину лінії головним чином впливають спонтанне випромінювання збуджених атомів або іонів, фазовий шум, механічні коливання резонатора, температурне тремтіння та інші зовнішні фактори. Чим менше значення ширини лінії, тим вища чистота спектру, тобто тим краща монохроматичність лазера. Лазери з такими характеристиками зазвичай мають дуже малий фазовий або частотний шум і дуже малий відносний шум інтенсивності. Водночас, чим менше значення лінійної ширини лазера, тим сильніша відповідна когерентність, яка проявляється як надзвичайно велика довжина когерентності.
Реалізація та застосування лазера з вузькою шириною лінії
Обмежена власною шириною лінії посилення робочої речовини лазера, практично неможливо безпосередньо реалізувати вихідний сигнал лазера з вузькою шириною лінії, покладаючись лише на традиційний генератор. Для реалізації роботи лазера з вузькою шириною лінії зазвичай необхідно використовувати фільтри, решітки та інші пристрої для обмеження або вибору поздовжнього модуля в спектрі посилення, збільшення чистої різниці коефіцієнтів посилення між поздовжніми модами, щоб у лазерному резонаторі було кілька або навіть лише одне поздовжнє коливання моди. У цьому процесі часто необхідно контролювати вплив шуму на вихідний сигнал лазера та мінімізувати розширення спектральних ліній, спричинене вібрацією та змінами температури зовнішнього середовища; водночас це також можна поєднати з аналізом спектральної щільності фазового або частотного шуму, щоб зрозуміти джерело шуму та оптимізувати конструкцію лазера, щоб досягти стабільного вихідного сигналу лазера з вузькою шириною лінії.
Давайте розглянемо реалізацію роботи з вузькою шириною лінії для кількох різних категорій лазерів.
Напівпровідникові лазери мають такі переваги, як компактні розміри, висока ефективність, тривалий термін служби та економічні вигоди.
Оптичний резонатор Фабрі-Перо (FP), що використовується в традиційнихнапівпровідникові лазеризазвичай коливається в багатопоздовжньому режимі, а ширина вихідної лінії відносно широка, тому необхідно збільшити оптичний зворотний зв'язок, щоб отримати вихідну вузьку ширину лінії.
Розподілений зворотний зв'язок (DFB) та розподілене брегівське відбиття (DBR) – це два типові напівпровідникові лазери з внутрішнім оптичним зворотним зв'язком. Завдяки малому кроку решітки та добрій селективності до довжини хвилі, легко досягти стабільного одночастотного випромінювання з вузькою шириною лінії. Основна відмінність між цими двома структурами полягає в розташуванні решітки: структура DFB зазвичай розподіляє періодичну структуру брегівської решітки по всьому резонатору, а резонатор DBR зазвичай складається зі структури решітки відбиття та області посилення, інтегрованої в торцеву поверхню. Крім того, лазери DFB використовують вбудовані решітки з низьким контрастом показника заломлення та низькою відбивною здатністю. Лазери DBR використовують поверхневі решітки з високим контрастом показника заломлення та високою відбивною здатністю. Обидві структури мають широкий вільний спектральний діапазон і можуть виконувати налаштування довжини хвилі без стрибка моди в діапазоні кількох нанометрів, де лазер DBR має ширший діапазон налаштування, ніж...DFB-лазерКрім того, технологія оптичного зворотного зв'язку із зовнішнім резонатором, яка використовує зовнішні оптичні елементи для зворотного зв'язку щодо вихідного світла напівпровідникового лазерного чіпа та вибору частоти, також може реалізувати роботу напівпровідникового лазера з вузькою шириною лінії.
(2) Волоконні лазери
Волоконні лазери мають високу ефективність перетворення накачування, добру якість променя та високу ефективність зв'язку, що є актуальними темами досліджень у галузі лазерів. В контексті інформаційної ери волоконні лазери мають добру сумісність із сучасними системами волоконно-оптичного зв'язку, що є на ринку. Одночастотний волоконний лазер з перевагами вузької ширини лінії, низького рівня шуму та гарної когерентності став одним із важливих напрямків його розвитку.
Одночастотні поздовжні режими роботи є основою волоконного лазера для досягнення вузької ширини лінії випромінювання. Зазвичай, за структурою резонатора, одночастотні волоконні лазери можна розділити на типи DFB, DBR та кільцеві. Принцип роботи одночастотних волоконних лазерів DFB та DBR подібний до принципу роботи напівпровідникових лазерів DFB та DBR.
Як показано на рисунку 1, волоконний лазер DFB записує розподілену брагівську ґратку у волокно. Оскільки робоча довжина хвилі генератора залежить від періоду волокна, поздовжній режим може бути вибраний за допомогою розподіленого зворотного зв'язку решітки. Лазерний резонатор DBR-лазера зазвичай утворений парою волоконних брагівських ґраток, а один поздовжній режим переважно вибирається вузькосмуговими волоконними брагівськими ґратками з низькою відбивною здатністю. Однак, через довгий резонатор, складну структуру та відсутність ефективного механізму частотної дискримінації, кільцеподібний резонатор схильний до стрибків мод, і важко стабільно працювати в постійному поздовжньому режимі протягом тривалого часу.
Рисунок 1, Дві типові лінійні структури однієї частотиволоконні лазери
Час публікації: 27 листопада 2023 р.