Danas ćemo predstaviti "monohromatski" laser ekstremne veličine - laser uske širine linije. Njegova pojava popunjava praznine u mnogim oblastima primjene lasera, a posljednjih godina se široko koristi u detekciji gravitacijskih talasa, liDAR-u, distribuiranim senzorima, brzoj koherentnoj optičkoj komunikaciji i drugim oblastima, što je "misija" koja se ne može ispuniti samo poboljšanjem snage lasera.
Šta je laser uske širine linije?
Termin "širina linije" odnosi se na širinu spektralne linije lasera u frekventnom domenu, koja se obično kvantificira u smislu širine spektra na polovini vrha (FWHM). Na širinu linije uglavnom utiču spontano zračenje pobuđenih atoma ili jona, fazni šum, mehaničke vibracije rezonatora, temperaturno podrhtavanje i drugi spoljni faktori. Što je manja vrijednost širine linije, to je veća čistoća spektra, odnosno bolja je monohromatskost lasera. Laseri sa takvim karakteristikama obično imaju vrlo malo faznog ili frekventnog šuma i vrlo malo relativnog intenziteta šuma. Istovremeno, što je manja vrijednost linearne širine lasera, to je jača odgovarajuća koherencija, koja se manifestuje kao izuzetno duga koherentna dužina.
Realizacija i primjena lasera uske širine linije
Ograničeno inherentnom širinom linije pojačanja radne supstance lasera, gotovo je nemoguće direktno ostvariti izlaz lasera uske širine linije oslanjajući se na sam tradicionalni oscilator. Da bi se ostvario rad lasera uske širine linije, obično je potrebno koristiti filtere, rešetke i druge uređaje za ograničavanje ili odabir longitudinalnog modula u spektru pojačanja, povećanje neto razlike pojačanja između longitudinalnih modova, tako da postoji nekoliko ili čak samo jedna longitudinalna oscilacija moda u laserskom rezonatoru. U ovom procesu, često je potrebno kontrolisati uticaj šuma na laserski izlaz i minimizirati širenje spektralnih linija uzrokovanih vibracijama i promjenama temperature vanjskog okruženja; Istovremeno, to se može kombinovati i sa analizom spektralne gustine faznog ili frekventnog šuma kako bi se razumio izvor šuma i optimizovao dizajn lasera, kako bi se postigao stabilan izlaz lasera uske širine linije.
Pogledajmo realizaciju rada u uskoj širini linije nekoliko različitih kategorija lasera.
Poluprovodnički laseri imaju prednosti kompaktne veličine, visoke efikasnosti, dugog vijeka trajanja i ekonomskih koristi.
Fabry-Perot (FP) optički rezonator koji se koristi u tradicionalnompoluprovodnički laseriGeneralno oscilira u višestrukom longitudinalnom modu, a širina izlazne linije je relativno široka, tako da je potrebno povećati optičku povratnu spregu da bi se dobio izlaz uske širine linije.
Distribuirana povratna sprega (DFB) i distribuirana Braggova refleksija (DBR) su dva tipična poluprovodnička lasera sa unutrašnjom optičkom povratnom spregom. Zbog malog koraka rešetke i dobre selektivnosti valne dužine, lako je postići stabilan izlaz uske širine linije na jednoj frekvenciji. Glavna razlika između dvije strukture je položaj rešetke: DFB struktura obično distribuira periodičnu strukturu Braggove rešetke po cijelom rezonatoru, a rezonator DBR-a se obično sastoji od strukture refleksijske rešetke i područja pojačanja integriranog u krajnju površinu. Osim toga, DFB laseri koriste ugrađene rešetke s niskim kontrastom indeksa prelamanja i niskom reflektivnošću. DBR laseri koriste površinske rešetke s visokim kontrastom indeksa prelamanja i visokom reflektivnošću. Obje strukture imaju veliki slobodni spektralni raspon i mogu vršiti podešavanje valne dužine bez skoka moda u rasponu od nekoliko nanometara, gdje DBR laser ima širi raspon podešavanja od...DFB laserOsim toga, tehnologija optičke povratne sprege vanjske šupljine, koja koristi vanjske optičke elemente za povratnu spregu izlazeće svjetlosti poluprovodničkog laserskog čipa i odabir frekvencije, također može ostvariti rad poluprovodničkog lasera s uskom širinom linije.
(2) Fiber laseri
Vlaknasti laseri imaju visoku efikasnost konverzije pumpe, dobar kvalitet snopa i visoku efikasnost sprege, što su vruće istraživačke teme u oblasti lasera. U kontekstu informacionog doba, vlaknasti laseri imaju dobru kompatibilnost sa trenutnim optičkim komunikacijskim sistemima na tržištu. Jednofrekventni vlaknasti laser sa prednostima uske širine linije, niskog šuma i dobre koherencije postao je jedan od važnih pravaca njegovog razvoja.
Rad jednog longitudinalnog moda je osnova vlaknastog lasera za postizanje uske širine linije izlaza. Obično se, prema strukturi rezonatora, vlaknasti laseri s jednom frekvencijom mogu podijeliti na DFB tip, DBR tip i prstenasti tip. Princip rada DFB i DBR vlaknastih lasera s jednom frekvencijom sličan je principu rada DFB i DBR poluprovodničkih lasera.
Kao što je prikazano na Slici 1, DFB vlaknasti laser upisuje distribuiranu Bragg-ovu rešetku u vlakno. Budući da na radnu talasnu dužinu oscilatora utiče period vlakna, longitudinalni mod se može odabrati putem distribuirane povratne sprege rešetke. Laserski rezonator DBR lasera obično se formira od para vlaknastih Bragg-ovih rešetki, a jedan longitudinalni mod se uglavnom bira pomoću uskopojasnih i nisko reflektivnih vlaknastih Bragg-ovih rešetki. Međutim, zbog dugog rezonatora, složene strukture i nedostatka efikasnog mehanizma za frekventnu diskriminaciju, prstenasta šupljina je sklona skakanju modova i teško je stabilno raditi u konstantnom longitudinalnom modu duži vremenski period.
Slika 1, Dvije tipične linearne strukture jedne frekvencijevlaknasti laseri
Vrijeme objave: 27. novembar 2023.