Danas ćemo predstaviti "monokromatski" laser ekstremne veličine - laser uske širine linije. Njegova pojava popunjava praznine u mnogim područjima primjene lasera, a posljednjih godina široko se koristi u detekciji gravitacijskih valova, liDAR-u, distribuiranim senzorima, brzoj koherentnoj optičkoj komunikaciji i drugim područjima, što je "misija" koja se ne može ispuniti samo poboljšanjem snage lasera.
Što je laser uske širine linije?
Pojam „širina linije“ odnosi se na širinu spektralne linije lasera u frekvencijskoj domeni, koja se obično kvantificira u smislu širine spektra na polovici vrha (FWHM). Na širinu linije uglavnom utječu spontano zračenje pobuđenih atoma ili iona, fazni šum, mehaničke vibracije rezonatora, temperaturno podrhtavanje i drugi vanjski čimbenici. Što je vrijednost širine linije manja, to je veća čistoća spektra, odnosno bolja je monokromatskost lasera. Laseri s takvim karakteristikama obično imaju vrlo malo faznog ili frekvencijskog šuma i vrlo malo relativnog intenziteta šuma. Istodobno, što je manja vrijednost linearne širine lasera, to je jača odgovarajuća koherencija, koja se očituje kao izuzetno duga koherentna duljina.
Realizacija i primjena lasera uske širine linije
Ograničeno inherentnom širinom linije pojačanja radne tvari lasera, gotovo je nemoguće izravno ostvariti izlaz lasera uske širine linije oslanjajući se na sam tradicionalni oscilator. Kako bi se ostvario rad lasera uske širine linije, obično je potrebno koristiti filtere, rešetke i druge uređaje za ograničavanje ili odabir uzdužnog modula u spektru pojačanja, povećanje neto razlike pojačanja između uzdužnih modova, tako da postoji nekoliko ili čak samo jedna oscilacija uzdužnog moda u laserskom rezonatoru. U tom procesu često je potrebno kontrolirati utjecaj šuma na laserski izlaz i minimizirati širenje spektralnih linija uzrokovano vibracijama i promjenama temperature vanjskog okruženja; istovremeno, može se kombinirati s analizom spektralne gustoće faznog ili frekvencijskog šuma kako bi se razumio izvor šuma i optimizirao dizajn lasera, te se postigao stabilan izlaz lasera uske širine linije.
Pogledajmo realizaciju rada s uskom širinom linije nekoliko različitih kategorija lasera.
Poluvodički laseri imaju prednosti kompaktne veličine, visoke učinkovitosti, dugog vijeka trajanja i ekonomskih koristi.
Fabry-Perot (FP) optički rezonator koji se koristi u tradicionalnompoluvodički laseriopćenito oscilira u višestrukom uzdužnom načinu rada, a širina izlazne linije je relativno široka, pa je potrebno povećati optičku povratnu informaciju kako bi se dobio izlaz uske širine linije.
Distribuirana povratna veza (DFB) i distribuirana Braggova refleksija (DBR) dva su tipična unutarnja optička povratna poluvodička lasera. Zbog malog koraka rešetke i dobre selektivnosti valne duljine, lako je postići stabilan izlaz uske širine linije jedne frekvencije. Glavna razlika između dvije strukture je položaj rešetke: DFB struktura obično raspoređuje periodičnu strukturu Braggove rešetke po cijelom rezonatoru, a rezonator DBR-a obično se sastoji od strukture reflektirajuće rešetke i područja pojačanja integriranog u krajnju površinu. Osim toga, DFB laseri koriste ugrađene rešetke s niskim kontrastom indeksa loma i niskom reflektivnošću. DBR laseri koriste površinske rešetke s visokim kontrastom indeksa loma i visokom reflektivnošću. Obje strukture imaju veliki slobodni spektralni raspon i mogu izvoditi podešavanje valne duljine bez skoka moda u rasponu od nekoliko nanometara, gdje DBR laser ima širi raspon podešavanja od...DFB laserOsim toga, tehnologija optičke povratne veze s vanjskom šupljinom, koja koristi vanjske optičke elemente za povratnu informaciju o izlaznoj svjetlosti poluvodičkog laserskog čipa i odabir frekvencije, također može ostvariti rad poluvodičkog lasera s uskom širinom linije.
(2) Vlaknasti laseri
Vlaknasti laseri imaju visoku učinkovitost pretvorbe pumpe, dobru kvalitetu snopa i visoku učinkovitost spajanja, što su vruće istraživačke teme u području lasera. U kontekstu informacijskog doba, vlaknasti laseri imaju dobru kompatibilnost s trenutnim optičkim komunikacijskim sustavima na tržištu. Jednofrekventni vlaknasti laser s prednostima uske širine linije, niskog šuma i dobre koherencije postao je jedan od važnih smjerova njegovog razvoja.
Rad jednog longitudinalnog moda je srž vlaknastog lasera za postizanje uske širine linije izlaza, obično se prema strukturi rezonatora jednofrekventnih vlaknastih lasera mogu podijeliti na DFB tip, DBR tip i prstenasti tip. Među njima, princip rada DFB i DBR jednofrekventnih vlaknastih lasera sličan je principu rada DFB i DBR poluvodičkih lasera.
Kao što je prikazano na slici 1, DFB vlaknasti laser zapisuje distribuiranu Braggovu rešetku u vlakno. Budući da na radnu valnu duljinu oscilatora utječe period vlakna, longitudinalni mod može se odabrati putem distribuirane povratne sprege rešetke. Laserski rezonator DBR lasera obično se sastoji od para vlaknastih Braggovih rešetki, a jedan longitudinalni mod uglavnom se odabire uskopojasnim i niskorefleksivnim vlaknastim Braggovim rešetkama. Međutim, zbog dugog rezonatora, složene strukture i nedostatka učinkovitog mehanizma frekvencijske diskriminacije, prstenasta šupljina sklona je preskakanju modova te je teško stabilno raditi u konstantnom longitudinalnom modu dulje vrijeme.
Slika 1, Dvije tipične linearne strukture jedne frekvencijevlaknasti laseri
Vrijeme objave: 27. studenog 2023.