Днес ще ви представим един „монохроматичен“ лазер с изключително висока широчина на линията. Появата му запълва празнините в много области на приложение на лазерите 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 изпълнена само чрез подобряване на мощността на лазера.
Какво е лазер с тясна ширина на линията?
Терминът „ширина на линията“ се отнася до спектралната ширина на линията на лазера в честотната област, която обикновено се определя количествено като полупикова пълна ширина на спектъра (FWHM). Ширината на линията се влияе главно от спонтанното излъчване на възбудени атоми или йони, фазовия шум, механичните вибрации на резонатора, температурното трептене 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 шум от относителния интензитет. В същото време, колкото по-малка е стойността на линейната ширина на лазера, толкова по-силна е съответната кохерентност, която се проявява като изключително дълга кохерентна дължина.
Реализация и приложение на лазер с тясна ширина на линията
Ограничен от присъщата ширина на линията на усилване на работното вещество на лазера, е почти невъзможно директно да се реализира изходът на лазер 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, решетки и други устройства, за да се ограничи или избере надлъжният модул в спектъра на усилване, да се увеличи нетната разлика в усилването между надлъжните модове, така че да има няколко или дори само едно надлъжно трептене на мода в лазерния резонатор. В този процес често е необходимо да се контролира влиянието на шума върху лазерния изход и да се сведе до минимум разширяването на спектралните линии, причинено от вибрациите и температурните промени на външната среда. В същото време, това може да се комбинира и с анализ на спектралната плътност на фазовия или честотния шум, за да се разбере източникът на шума и да се оптимизира дизайнът на лазера, така че да се постигне стабилен изход на лазера с тясна ширина на линията.
Нека да разгледаме реализацията на работата 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 многонадлъжен режим, а ширината на изходната линия е сравнително 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 Браг (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 решетката на Браг в целия резонатор, а резонаторът на DBR обикновено е съставен от структурата на отражателната решетка и областта на усилване, интегрирана в крайната повърхност. Освен това, DFB лазерите използват вградени решетки с нисък контраст на индекса на пречупване и ниска отражателна способност. DBR лазерите използват повърхностни решетки с висок контраст на индекса на пречупване и висока отражателна способност. И двете структури имат голям свободен спектрален диапазон и могат да извършват настройка на дължината на вълната без скок на модата в диапазона от няколко нанометра, където DBR лазерът има по-широк диапазон на настройка от...DFB лазерВ допълнение, технологията за оптична обратна връзка с външна кухина, която използва външни оптични елементи за обратна връзка на изходящата светлина от полупроводниковия лазерен чип и избор на честотата, може също да реализира работата на полупроводниковия лазер с тясна ширина на линията.
(2) Фибролазери
Влакнестите лазери имат висока ефективност на преобразуване на помпата, добро качество на лъча и висока ефективност на свързване, което са горещи теми за изследване в областта на лазерите. В контекста на информационната ера, влакнестите лазери имат добра съвместимост със съвременните оптични комуникационни системи на пазара. Едночестотните влакнести лазери с предимствата на тясна ширина на линията, нисък шум и добра кохерентност се превърнаха в едно от важните направления на тяхното развитие.
Едночестотните надлъжен режим на работа е в основата на фибро лазера за постигане на тясна ширина на линията на излъчване. Обикновено, според структурата на резонатора, едночестотните фибро лазери могат да бъдат разделени на DFB тип, DBR тип и пръстеновиден тип. Принципът на работа на едночестотните фибро лазери DFB и DBR е подобен на този на полупроводниковите лазери DFB и DBR.
Както е показано на Фигура 1, DFB влакнестият лазер записва разпределена Брагова 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 е оформен от двойка влакнести Брагови решетки, а единичният надлъжни режим се избира главно от теснолентови и нискоотражателни влакнести Брагови решетки. Въпреки това, поради дългия си резонатор, сложната структура и липсата на ефективен механизъм за честотна дискриминация, пръстеновидната кухина е склонна към прескачане на режимите и е трудно да работи стабилно в постоянен надлъжни режим за дълго време.
Фигура 1, Две типични линейни структури с една честотавлакнести лазери
Време на публикуване: 27 ноември 2023 г.