Definicja szerokości linii w laserach

Szerokość linii lasera, zwłaszcza lasera jednoczęstotliwościowego, odnosi się do szerokości jego widma (zwykle pełna szerokość w połowie maksimum, FWHM). Dokładniej, jest to szerokość widma mocy wypromieniowanego pola elektrycznego, wyrażona w postaci częstotliwości, liczby falowej lub długości fali. Szerokość linii lasera jest ściśle związana ze spójnością czasową i charakteryzuje się czasem koherencji i długością koherencji. Jeśli faza ulega nieograniczonemu przesunięciu, szum fazowy ma wpływ na szerokość linii; tak jest w przypadku wolnych oscylatorów. (Wahania fazowe ograniczone do bardzo małego odstępu fazowego powodują zerową szerokość linii i pewne pasma boczne szumu.) Przesunięcia długości wnęki rezonansowej również mają wpływ na szerokość linii i uzależniają ją od czasu pomiaru. Oznacza to, że sama szerokość linii, a nawet pożądany kształt widma (kształt linii) nie może dostarczyć pełnej informacji o widmie lasera.

II. Laserowy pomiar szerokości linii

Do pomiaru szerokości linii lasera można zastosować wiele technik:

1. Gdy szerokość linii jest stosunkowo duża (> 10 GHz, gdy wiele modów oscyluje w wielu laserowych wnękach rezonansowych), można ją zmierzyć za pomocą tradycyjnego spektrometru wykorzystującego siatkę dyfrakcyjną. Jednak przy użyciu tej metody trudno jest uzyskać rozdzielczość wysokiej częstotliwości.

2. Inną metodą jest użycie dyskryminatora częstotliwości do przekształcenia wahań częstotliwości na wahania intensywności. Dyskryminatorem może być niezrównoważony interferometr lub wnęka referencyjna o wysokiej precyzji. Ta metoda pomiaru ma również ograniczoną rozdzielczość.

3. Lasery jednoczęstotliwościowe zazwyczaj wykorzystują metodę autoheterodyny, która rejestruje dudnienie pomiędzy mocą lasera a jego własną częstotliwością po przesunięciu i opóźnieniu.

4. W przypadku linii o szerokości kilkuset herców tradycyjne techniki autoheterodynowe są niepraktyczne, ponieważ wymagają dużej długości opóźnienia. Aby wydłużyć tę długość, można zastosować cykliczną pętlę światłowodową i wbudowany wzmacniacz światłowodowy.

5. Bardzo dużą rozdzielczość można uzyskać rejestrując uderzenia dwóch niezależnych laserów, gdzie szum lasera referencyjnego jest znacznie niższy niż lasera testowego lub ich parametry pracy są podobne. Można zastosować pętlę synchronizacji fazowej lub obliczenie chwilowej różnicy częstotliwości w oparciu o zapisy matematyczne. Metoda ta jest bardzo prosta i stabilna, ale wymaga zastosowania innego lasera (działającego w pobliżu częstotliwości lasera testowego). Jeśli zmierzona szerokość linii wymaga szerokiego zakresu widma, bardzo wygodny jest grzebień częstotliwości.

Pomiary częstotliwości optycznej często wymagają w pewnym momencie określonego odniesienia do częstotliwości (lub czasu). W przypadku laserów o wąskiej szerokości linii potrzebna jest tylko jedna wiązka referencyjna, aby zapewnić wystarczająco dokładne odniesienie. Techniki autoheterodynowe uzyskują częstotliwość odniesienia poprzez zastosowanie wystarczająco długiego opóźnienia w samym układzie testowym, w idealnym przypadku unikając czasowej spójności pomiędzy wiązką początkową a jej własną wiązką opóźnioną. Dlatego zazwyczaj stosuje się długie światłowody. Jednakże, ze względu na stabilne wahania i efekty akustyczne, długie włókna wprowadzają dodatkowy szum fazowy.

Gdy występuje szum o częstotliwości 1/f, sama szerokość linii nie jest w stanie w pełni opisać błędu fazowego. Lepszym podejściem jest pomiar widma Fouriera fazowych lub chwilowych wahań częstotliwości, a następnie scharakteryzowanie go za pomocą gęstości widmowej mocy; można odwoływać się do wskaźników poziomu hałasu. Szum 1/f (lub widmo szumu innego szumu o niskiej częstotliwości) może powodować pewne problemy pomiarowe.

III. Minimalizowanie szerokości linii lasera

Szerokość linii lasera jest bezpośrednio powiązana z typem lasera. Można go zminimalizować poprzez optymalizację konstrukcji lasera i tłumienie wpływów hałasu zewnętrznego. Pierwszym krokiem jest określenie, czy dominuje szum kwantowy, czy klasyczny, gdyż będzie to miało wpływ na późniejsze pomiary.

Gdy moc wewnątrz wnęki jest wysoka, straty w komorze rezonansowej są niskie, a czas przejścia w obie strony wnęki rezonansowej jest długi, szum kwantowy (głównie szum emisji spontanicznej) lasera ma niewielki wpływ. Hałas klasyczny może być spowodowany wahaniami mechanicznymi, które można złagodzić za pomocą kompaktowego, krótkiego rezonatora laserowego. Jednak wahania długości mogą czasami mieć silniejszy wpływ w jeszcze krótszych rezonatorach. Właściwa konstrukcja mechaniczna może zmniejszyć sprzężenie między rezonatorem laserowym a promieniowaniem zewnętrznym, a także zminimalizować efekt dryfu termicznego. W ośrodku wzmacniającym występują również wahania termiczne, spowodowane wahaniami mocy pompy. Aby uzyskać lepszą wydajność w zakresie hałasu, potrzebne są inne aktywne urządzenia stabilizujące, ale początkowo preferowane są praktyczne metody pasywne. Szerokość linii jednoczęstotliwościowych laserów na ciele stałym i laserów światłowodowych mieści się w zakresie 1-2 Hz, czasem nawet poniżej 1 kHz. Metody aktywnej stabilizacji mogą osiągnąć szerokość linii poniżej 1 kHz. Szerokość linii diod laserowych mieści się zazwyczaj w zakresie MHz, ale można ją zmniejszyć do kHz, na przykład w laserach diodowych z zewnętrzną wnęką, zwłaszcza tych z optycznym sprzężeniem zwrotnym i precyzyjnymi wnękami odniesienia.

IV. Problemy wynikające z wąskich szerokości linii

W niektórych przypadkach bardzo wąska szerokość wiązki źródła lasera nie jest konieczna:

1. Gdy długość koherencji jest duża, efekty koherencji (spowodowane słabymi odbiciami pasożytniczymi) mogą zniekształcić kształt wiązki. 1. W wyświetlaczach projekcji laserowej efekty plamkowe mogą zakłócać jakość powierzchni.

2. Gdy światło rozchodzi się w aktywnych lub pasywnych światłowodach, wąskie szerokości linii mogą powodować problemy ze względu na wymuszone rozpraszanie Brillouina. W takich przypadkach konieczne jest zwiększenie szerokości linii, na przykład poprzez szybkie dithering częstotliwości przejściowej diody laserowej lub modulatora optycznego za pomocą modulacji prądu. Szerokość linii jest również używana do opisania szerokości przejść optycznych (np. przejść laserowych lub niektórych cech absorpcji). W przejściach stacjonarnego pojedynczego atomu lub jonu szerokość linii jest powiązana z czasem życia wyższego stanu energetycznego (a dokładniej, czasem życia pomiędzy górnym i dolnym stanem energetycznym) i nazywana jest naturalną szerokością linii. Ruch (patrz poszerzenie Dopplera ) lub interakcja atomów lub jonów może poszerzyć szerokość linii, na przykład poszerzenie ciśnienia w gazach lub interakcje fononowe w ośrodkach stałych. Jeśli wpływ na różne atomy lub jony jest różny, może wystąpić nierównomierne poszerzenie.