Днес ще представим „монохроматичен“ лазер до крайност – лазер с тясна ширина на линията. Появата му запълва празнините в много области на приложение на лазера и през последните години се използва широко в откриването на гравитационни вълни, liDAR, разпределено наблюдение, високоскоростна кохерентна оптична комуникация и други области, което е „мисия“, която не може да бъде завършен само чрез подобряване на мощността на лазера.
Какво е лазер с тясна ширина на линията?
Терминът „ширина на линията“ се отнася до ширината на спектралната линия на лазера в честотната област, която обикновено се определя количествено по отношение на полупиковата пълна ширина на спектъра (FWHM). Ширината на линията се влияе главно от спонтанното излъчване на възбудени атоми или йони, фазов шум, механична вибрация на резонатора, трептене на температурата и други външни фактори. Колкото по-малка е стойността на ширината на линията, толкова по-висока е чистотата на спектъра, т.е. толкова по-добра е монохроматичността на лазера. Лазерите с такива характеристики обикновено имат много малък фазов или честотен шум и много малък относителен интензивен шум. В същото време, колкото по-малка е стойността на линейната ширина на лазера, толкова по-силна е съответната кохерентност, която се проявява като изключително голяма дължина на кохерентност.
Реализация и приложение на теснолинейни лазери
Ограничено от присъщата широчина на линията на усилване на работното вещество на лазера, е почти невъзможно директно да се реализира изходът на лазера с тясна ширина на линията, като се разчита на самия традиционен осцилатор. За да се реализира работата на лазер с тясна ширина на линията, обикновено е необходимо да се използват филтри, решетка и други устройства за ограничаване или избор на надлъжния модул в спектъра на усилване, увеличаване на разликата в нетното усилване между надлъжните режими, така че да има малко или дори само едно трептене в надлъжна мода в лазерния резонатор. В този процес често е необходимо да се контролира влиянието на шума върху лазерния изход и да се минимизира разширяването на спектралните линии, причинено от вибрациите и температурните промени на външната среда; В същото време може да се комбинира и с анализа на спектралната плътност на фазовия или честотния шум, за да се разбере източникът на шум и да се оптимизира дизайна на лазера, така че да се постигне стабилен изход на лазера с тясна ширина на линията.
Нека да разгледаме реализацията на работа с тясна ширина на линията на няколко различни категории лазери.
Полупроводниковите лазери имат предимствата на компактен размер, висока ефективност, дълъг живот и икономически ползи.
Оптичният резонатор на Фабри-Перо (FP), използван в традиционнитеполупроводникови лазериобикновено осцилира в многонадлъжно направление и ширината на изходната линия е относително широка, така че е необходимо да се увеличи оптичната обратна връзка, за да се получи изход с тясна ширина на линията.
Разпределената обратна връзка (DFB) и разпределеното отражение на Bragg (DBR) са два типични полупроводникови лазера с вътрешна оптична обратна връзка. Поради малката стъпка на решетката и добрата селективност на дължината на вълната е лесно да се постигне стабилен едночестотен изход с тясна ширина на линията. Основната разлика между двете структури е позицията на решетката: DFB структурата обикновено разпределя периодичната структура на Bragg решетката в целия резонатор, а резонаторът на DBR обикновено се състои от структурата на отразяващата решетка и зоната на усилване, интегрирана в крайната повърхност. Освен това DFB лазерите използват вградени решетки с нисък контраст на индекса на пречупване и ниска отразяваща способност. DBR лазерите използват повърхностни решетки с висок контраст на индекса на пречупване и висока отразяваща способност. И двете структури имат широк свободен спектрален обхват и могат да извършват настройка на дължината на вълната без скок на режима в диапазона от няколко нанометра, където DBR лазерът има по-широк обхват на настройка отDFB лазер. В допълнение, технологията за оптична обратна връзка с външна кухина, която използва външни оптични елементи за обратна връзка на изходящата светлина на полупроводниковия лазерен чип и избиране на честотата, също може да реализира работата с тясна ширина на линията на полупроводниковия лазер.
(2) Оптични лазери
Влакнестите лазери имат висока ефективност на преобразуване на помпата, добро качество на лъча и висока ефективност на свързване, които са горещите теми за изследване в областта на лазерите. В контекста на информационната ера фибро лазерите имат добра съвместимост с настоящите оптични комуникационни системи на пазара. Едночестотният оптичен лазер с предимствата на тясна ширина на линията, нисък шум и добра кохерентност се превърна в едно от важните направления на неговото развитие.
Работата в един надлъжен режим е сърцевината на фибролазера за постигане на тесен изход с ширина на линията, обикновено според структурата на резонатора на едночестотния фибролазер може да бъде разделен на тип DFB, тип DBR и тип пръстен. Сред тях принципът на работа на DFB и DBR едночестотните влакнести лазери е подобен на този на DFB и DBR полупроводниковите лазери.
Както е показано на фигура 1, DFB влакнестият лазер записва разпределена Bragg решетка във влакното. Тъй като работната дължина на вълната на осцилатора се влияе от периода на влакното, надлъжният режим може да бъде избран чрез разпределената обратна връзка на решетката. Лазерният резонатор на DBR лазера обикновено се формира от двойка брагови решетки с влакна, а единичният надлъжен режим се избира главно от тяснолентови и с ниска отражателна способност брагови решетки с влакна. Въпреки това, поради своя дълъг резонатор, сложна структура и липса на ефективен механизъм за честотна дискриминация, пръстеновидната кухина е склонна към прескачане на режима и е трудно да работи стабилно в постоянен надлъжен режим за дълго време.
Фигура 1, Две типични линейни структури с една честотавлакнести лазери
Време на публикуване: 27 ноември 2023 г