Danas ćemo predstaviti “monokromatski” laser do ekstremnog – lasera uske širine linije. Njegovo pojavljivanje popunjava praznine u mnogim poljima primjene lasera, a posljednjih godina se naširoko koristi u detekciji gravitacijskih valova, liDAR-u, distribuiranom sensingu, koherentnoj optičkoj komunikaciji velike brzine i drugim poljima, što je „misija“ koja se ne može ostvariti. završen samo poboljšanjem snage lasera.
Šta je laser uske linije?
Termin "širina linije" odnosi se na širinu spektralne linije lasera u frekvencijskom domenu, koja se obično kvantificira u smislu poluvršne pune širine spektra (FWHM). Na širinu linije uglavnom utiču spontano zračenje pobuđenih atoma ili jona, fazni šum, mehanička vibracija rezonatora, temperaturno podrhtavanje i drugi spoljni faktori. Što je manja vrijednost širine linije, to je veća čistoća spektra, odnosno bolja je monokromatičnost lasera. Laseri sa takvim karakteristikama obično imaju vrlo malo faznog ili frekventnog šuma i vrlo malo šuma relativnog intenziteta. Istovremeno, što je manja vrijednost linearne širine lasera, to je jača odgovarajuća koherentnost, koja se manifestuje kao izuzetno velika dužina koherencije.
Realizacija i primena lasera uske linije
Ograničeno inherentnom širinom linije pojačanja radne supstance lasera, gotovo je nemoguće direktno realizovati izlaz lasera uske širine linije oslanjajući se na sam tradicionalni oscilator. Da bi se realizovao 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 modna oscilacija u laserskom rezonatoru. U ovom procesu često je potrebno kontrolisati uticaj šuma na laserski izlaz, i minimizirati širenje spektralnih linija uzrokovano vibracijama i temperaturnim promenama spoljašnjeg okruženja; Istovremeno, može se kombinovati sa analizom spektralne gustine faznog ili frekventnog šuma da bi se razumeo izvor šuma i optimizovao dizajn lasera, kako bi se postigao stabilan izlaz lasera uske linije.
Pogledajmo realizaciju operacije uske širine linije nekoliko različitih kategorija lasera.
Poluprovodnički laseri imaju prednosti kompaktne veličine, visoke efikasnosti, dugog vijeka trajanja i ekonomskih prednosti.
Fabry-Perot (FP) optički rezonator koji se koristi u tradicionalnojpoluprovodnički laseriopćenito oscilira u višelongitudinalnom modu, a širina izlazne linije je relativno široka, pa je potrebno povećati optičku povratnu vezu da bi se dobio izlaz uske širine linije.
Distribuirana povratna sprega (DFB) i distribuirana Braggova refleksija (DBR) su dva tipična interna poluprovodnička lasera sa optičkom povratnom spregom. Zbog malog koraka rešetke i dobre selektivnosti talasne dužine, lako je postići stabilan jednofrekventni izlaz uske linije. Glavna razlika između ove dvije strukture je položaj rešetke: DFB struktura obično distribuira periodičnu strukturu Braggove rešetke po cijelom rezonatoru, a rezonator DBR obično se sastoji od strukture refleksijske rešetke i područja pojačanja integriranog u krajnja površina. Osim toga, DFB laseri koriste ugrađene rešetke s niskim kontrastom indeksa prelamanja i niskom refleksijom. DBR laseri koriste površinske rešetke sa visokim kontrastom indeksa prelamanja i visokom refleksijom. Obje strukture imaju veliki slobodni spektralni raspon i mogu izvršiti podešavanje valne dužine bez skoka moda u rasponu od nekoliko nanometara, gdje DBR laser ima širi raspon podešavanja odDFB laser. Osim toga, tehnologija optičke povratne sprege s vanjskom šupljinom, koja koristi vanjske optičke elemente za povratnu informaciju o izlaznoj svjetlosti poluvodičkog laserskog čipa i odabir frekvencije, također može ostvariti rad uske širine linije poluvodičkog lasera.
(2) Fiber laseri
Fiber laseri imaju visoku efikasnost konverzije pumpe, dobar kvalitet snopa i visoku efikasnost spajanja, što su vruće teme istraživanja u oblasti lasera. U kontekstu informatičkog doba, optički laseri imaju dobru kompatibilnost sa trenutnim optičkim komunikacijskim sistemima na tržištu. Jednofrekventni fiber laser sa prednostima uske širine linije, niske razine šuma i dobre koherentnosti postao je jedan od važnih pravaca njegovog razvoja.
Jednostruki longitudinalni način rada jezgro lasera s vlaknima za postizanje uske širine linije, obično se prema strukturi rezonatora jednofrekventnog fiber lasera može podijeliti na DFB tip, DBR tip i prstenasti tip. Među njima, princip rada DFB i DBR lasera sa jednofrekventnim vlaknima sličan je onom kod DFB i DBR poluvodičkih lasera.
Kao što je prikazano na slici 1, DFB fiber laser treba da upiše distribuiranu Braggovu rešetku u vlakno. Budući da na radnu talasnu dužinu oscilatora utiče period vlakna, longitudinalni mod se može izabrati putem distribuirane povratne sprege rešetke. Laserski rezonator DBR lasera obično je formiran od para vlaknastih Braggovih rešetki, a pojedinačni uzdužni mod se uglavnom bira uskopojasnim i niskim reflektirajućim vlaknastim Braggovim rešetkama. Međutim, zbog svog dugog rezonatora, složene strukture i nedostatka efikasnog mehanizma za diferencijaciju frekvencije, prstenasta šupljina je sklona skakanju modova i teško je stabilno raditi u konstantnom uzdužnom režimu dugo vremena.
Slika 1, Dvije tipične linearne strukture jedne frekvencijefiber laseri
Vrijeme objave: 27.11.2023