Сьогодні ми представимо екстремальний «монохроматичний» лазер – лазер з вузькою шириною лінії.Його поява заповнює прогалини в багатьох галузях застосування лазера, і в останні роки він широко використовується в детектуванні гравітаційних хвиль, liDAR, розподіленому зондуванні, високошвидкісному когерентному оптичному зв’язку та інших сферах, що є «місією», яка не може бути завершується лише за рахунок підвищення потужності лазера.
Що таке вузьколінійний лазер?
Термін «ширина лінії» відноситься до ширини спектральної лінії лазера в частотній області, яка зазвичай кількісно визначається в термінах напівпікової повної ширини спектра (FWHM).На ширину лінії в основному впливає спонтанне випромінювання збуджених атомів або іонів, фазовий шум, механічна вібрація резонатора, тремтіння температури та інші зовнішні фактори.Чим менше значення ширини лінії, тим вище чистота спектру, тобто краще монохроматичність лазера.Лазери з такими характеристиками зазвичай мають дуже низький фазовий або частотний шум і дуже малий шум відносної інтенсивності.Водночас, чим менше значення лінійної ширини лазера, тим сильніша відповідна когерентність, яка проявляється як надзвичайно велика довжина когерентності.
Реалізація та застосування вузьколінійного лазера
Обмежений внутрішньою шириною лінії підсилення робочої речовини лазера, практично неможливо безпосередньо реалізувати вихід вузьколінійного лазера, покладаючись на сам традиційний генератор.Щоб реалізувати роботу лазера з вузькою шириною лінії, зазвичай необхідно використовувати фільтри, грати та інші пристрої для обмеження або вибору поздовжнього модуля в спектрі підсилення, збільшення чистої різниці підсилення між поздовжніми модами, щоб існувала кілька або навіть тільки одна поздовжня мода коливань в лазерному резонаторі.У цьому процесі часто необхідно контролювати вплив шуму на вихід лазера та мінімізувати розширення спектральних ліній, викликане вібрацією та температурними змінами зовнішнього середовища;У той же час його також можна поєднати з аналізом спектральної щільності фазового або частотного шуму, щоб зрозуміти джерело шуму та оптимізувати конструкцію лазера, щоб досягти стабільного виходу лазера з вузькою шириною лінії.
Давайте подивимося на реалізацію роботи з вузькою шириною лінії кількох різних категорій лазерів.
Напівпровідникові лазери мають такі переваги, як компактний розмір, висока ефективність, тривалий термін служби та економічні вигоди.
Оптичний резонатор Фабрі-Перо (FP), який використовується в традиційнихнапівпровідникові лазеризазвичай коливається в багатопоздовжньому режимі, а ширина вихідної лінії є відносно широкою, тому необхідно збільшити оптичний зворотний зв’язок, щоб отримати вихід із вузькою шириною лінії.
Розподілений зворотний зв'язок (DFB) і розподілене брегговське відображення (DBR) є двома типовими напівпровідниковими лазерами з внутрішнім оптичним зворотним зв'язком.Завдяки малому кроку решітки та гарній вибірковості довжини хвилі легко досягти стабільного одночастотного вихідного сигналу з вузькою шириною лінії.Основна відмінність між двома структурами полягає в положенні решітки: структура DFB зазвичай розподіляє періодичну структуру решітки Брегга по всьому резонатору, а резонатор DBR зазвичай складається з структури решітки відбиття та області посилення, інтегрованої в торцеву поверхню.Крім того, лазери DFB використовують вбудовані грати 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 великий вільний спектральний діапазон і можуть виконувати налаштування довжини хвилі без стрибка моди в діапазоні кількох нанометрів, де лазер DBR має ширший діапазон налаштування, ніж лазерDFB лазер.Крім того, технологія оптичного зворотного зв’язку із зовнішнім резонатором, яка використовує зовнішні оптичні елементи для зворотного зв’язку 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 накачки, хорошу якість променя та високу ефективність зв’язку, які є гарячими темами досліджень у галузі лазерів.У контексті інформаційної ери волоконні лазери мають хорошу сумісність із поточними волоконно-оптичними системами зв’язку на ринку.Одним із важливих напрямків його розвитку став одночастотний волоконний лазер з перевагами вузької ширини лінії, низького шуму та доброї когерентності.
Робота в одному поздовжньому режимі є основою волоконного лазера для досягнення вузької ширини лінії, зазвичай відповідно до структури резонатора одночастотного волоконного лазера можна розділити на тип DFB, тип DBR і кільцевий тип.Серед них принцип роботи одночастотних волоконних лазерів DFB і DBR схожий на принцип роботи напівпровідникових лазерів DFB і DBR.
Як показано на малюнку 1, волоконний лазер DFB записує розподілену решітку Брегга у волокно.Оскільки на робочу довжину хвилі осцилятора впливає період волокна, поздовжній режим можна вибрати за допомогою розподіленого зворотного зв’язку решітки.Лазерний резонатор лазера DBR зазвичай утворений парою волоконних бреггівських ґраток, а одиночна поздовжня мода в основному вибирається вузькою смугою та низькою відбивною здатністю волоконних бреггівських ґраток.Однак через довгий резонатор, складну структуру та відсутність ефективного механізму дискримінації частоти кільцеподібний резонатор схильний до стрибків мод, і важко стабільно працювати в постійному поздовжньому режимі протягом тривалого часу.
Рисунок 1. Дві типові лінійні структури однієї частотиволоконних лазерів
Час публікації: 27 листопада 2023 р