Lasery o wąskiej szerokości linii

Niektóre zastosowania lasera wymagają, aby laser miał bardzo wąską szerokość linii, czyli wąskie widmo. Lasery o wąskiej szerokości linii odnoszą się do laserów o pojedynczej częstotliwości, to znaczy, że w wartości lasera występuje tryb wnęki rezonansowej, a szum fazowy jest bardzo niski, więc czystość widmowa jest bardzo wysoka. Zazwyczaj takie lasery charakteryzują się szumem o bardzo niskim natężeniu.

Do najważniejszych typów laserów wąskich linii zaliczają się:

1. Lasery półprzewodnikowe, diody laserowe z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (lasery DFB) i rozproszone lasery refleksyjne Bragga (lasery DBR) są najczęściej stosowane w obszarze 1500 lub 1000 nm. Typowe parametry operacyjne to moc wyjściowa kilkudziesięciu miliwatów (czasami większa niż 100 miliwatów) i szerokość linii kilku MHz.

2. Węższe szerokości linii można uzyskać za pomocą laserów półprzewodnikowych, na przykład poprzez przedłużenie rezonatora o włókno jednomodowe zawierające wąskopasmową siatkę Bragga lub stosując laser diodowy z zewnętrzną wnęką. Dzięki tej metodzie można uzyskać bardzo wąską szerokość linii rzędu kilku kHz lub nawet mniejszą niż 1 kHz.

3. Małe lasery światłowodowe z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (rezonatory wykonane ze specjalnych siatek Bragga z włókien) mogą generować moc wyjściową rzędu kilkudziesięciu miliwatów przy szerokości linii w zakresie kHz.

4. Lasery na ciele stałym pompowane diodami z niepłaskimi rezonatorami pierścieniowymi mogą również uzyskać szerokość linii kilku kHz, przy stosunkowo dużej mocy wyjściowej, rzędu 1 W. Chociaż typowa długość fali wynosi 1064 nm, możliwe są również inne zakresy długości fal, takie jak 1300 lub 1500 nm.

Główne czynniki wpływające na wąską szerokość linii laserów

Aby uzyskać laser o bardzo wąskim paśmie promieniowania (szerokości linii), przy projektowaniu lasera należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

Po pierwsze, należy osiągnąć działanie na jednej częstotliwości. Można to łatwo osiągnąć, stosując ośrodek wzmacniający o małej szerokości pasma wzmocnienia i krótkiej wnęce lasera (co skutkuje dużym wolnym zakresem widma). Celem powinna być długoterminowa stabilna praca na jednej częstotliwości bez przeskakiwania trybów.

Po drugie, należy zminimalizować wpływ hałasu zewnętrznego. Wymaga to stabilnej konfiguracji rezonatora (monochromatyczny) lub specjalnego zabezpieczenia przed wibracjami mechanicznymi. Lasery pompowane elektrycznie muszą wykorzystywać źródła prądu lub napięcia o niskim poziomie szumów, podczas gdy lasery pompowane optycznie muszą mieć szum o niskim natężeniu jako źródło światła pompy. Ponadto należy unikać wszelkich sprzężonych fal świetlnych, na przykład stosując izolatory Faradaya. Teoretycznie szum zewnętrzny ma mniejszy wpływ niż szum wewnętrzny, taki jak emisja spontaniczna w ośrodku wzmacniającym. Można to łatwo osiągnąć, gdy częstotliwość szumów jest wysoka, ale gdy częstotliwość szumów jest niska, najważniejszy jest wpływ na szerokość linii.

Po trzecie, należy zoptymalizować konstrukcję lasera, aby zminimalizować szum lasera, zwłaszcza szum fazowy. Preferowana jest duża moc wewnątrzwnękowa i długie rezonatory, chociaż w tym przypadku trudniej jest osiągnąć stabilną pracę na jednej częstotliwości.

Optymalizacja systemu wymaga zrozumienia znaczenia różnych źródeł hałasu, ponieważ w zależności od dominującego źródła hałasu wymagane są różne pomiary. Na przykład szerokość linii zminimalizowana zgodnie z równaniem Schawlowa-Townesa niekoniecznie minimalizuje rzeczywistą szerokość linii, jeśli rzeczywista szerokość linii jest określona przez szum mechaniczny.

Charakterystyka hałasu i specyfikacje wydajności.

Zarówno charakterystyka szumu, jak i wskaźniki wydajności laserów o wąskiej szerokości linii są trywialnymi kwestiami. Różne techniki pomiarowe omówiono we wpisie Szerokość linii, zwłaszcza linie o szerokości kilku kHz lub mniejszej są wymagające. Ponadto, jedynie uwzględnienie wartości szerokości linii nie może dać wszystkich charakterystyk szumu; konieczne jest podanie pełnego widma szumu fazowego, a także informacji o szumie o względnym natężeniu. Wartość szerokości linii należy połączyć przynajmniej z czasem pomiaru lub inną informacją uwzględniającą długoterminowy dryft częstotliwości.

Oczywiście różne zastosowania mają różne wymagania i jaki poziom wskaźnika charakterystyki akustycznej należy wziąć pod uwagę w różnych rzeczywistych sytuacjach.

Zastosowania laserów o wąskiej szerokości linii

1. Bardzo ważne zastosowanie znajduje się w dziedzinie wykrywania, np. czujników światłowodowych ciśnienia lub temperatury, różnych czujników interferometrycznych, wykorzystania LIDAR-u o różnej absorpcji do wykrywania i śledzenia gazu oraz wykorzystania LIDAR-u Dopplera do pomiaru prędkości wiatru. Niektóre czujniki światłowodowe wymagają szerokości linii lasera rzędu kilku kHz, podczas gdy w pomiarach LIDAT wystarczająca jest szerokość linii 100 kHz.

2. Pomiary częstotliwości optycznych wymagają bardzo wąskich szerokości linii źródła, co wymaga technik stabilizacji.

3. Systemy komunikacji światłowodowej mają stosunkowo luźne wymagania dotyczące szerokości linii i są stosowane głównie w nadajnikach lub do wykrywania lub pomiarów.