Danas ćemo predstaviti "monokromatski" laser do ekstrema - laser uske širine linije.Njegova pojava popunjava praznine u mnogim poljima primjene lasera, a posljednjih godina naširoko se koristi u detekciji gravitacijskih valova, liDAR-u, distribuiranom senzoru, koherentnoj optičkoj komunikaciji velike brzine i drugim poljima, što je "misija" koja se ne može dovršeno samo poboljšanjem snage lasera.
Što je laser s uskom širinom linije?
Izraz "širina linije" odnosi se na spektralnu širinu linije lasera u frekvencijskoj domeni, koja se obično kvantificira u smislu pune širine spektra poluvrha (FWHM).Na širinu linije uglavnom utječe spontano zračenje pobuđenih atoma ili iona, fazni šum, mehanička vibracija rezonatora, podrhtavanje temperature i drugi vanjski čimbenici.Što je manja vrijednost širine linije, veća je čistoća spektra, odnosno bolja je monokromatičnost lasera.Laseri s takvim karakteristikama obično imaju vrlo malo faznog ili frekvencijskog šuma i vrlo malo šuma relativnog intenziteta.Istovremeno, što je manja vrijednost linearne širine lasera, to je jača odgovarajuća koherencija, koja se očituje kao iznimno velika duljina koherencije.
Realizacija i primjena lasera uske širine linije
Ograničeno inherentnom pojačanom širinom linije radne tvari lasera, gotovo je nemoguće izravno realizirati izlaz lasera uske širine linije oslanjajući se na sam tradicionalni oscilator.Kako bi se ostvario rad lasera uske širine linije, obično je potrebno koristiti filtre, 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 jedan longitudinalni mod titranja u laserskom rezonatoru.U ovom procesu često je potrebno kontrolirati utjecaj buke na laserski izlaz i minimizirati širenje spektralnih linija uzrokovano vibracijama i temperaturnim promjenama vanjske okoline;U isto vrijeme, također se može kombinirati s analizom spektralne gustoće faznog ili frekvencijskog šuma kako bi se razumio izvor šuma i optimizirao dizajn lasera, kako bi se postigao stabilan izlaz lasera uske širine linije.
Pogledajmo realizaciju rada uskog opsega nekoliko različitih kategorija lasera.
Poluvodički laseri imaju prednosti kompaktne veličine, visoke učinkovitosti, dugog vijeka trajanja i ekonomske koristi.
Fabry-Perot (FP) optički rezonator koji se koristi u tradicionalnimpoluvodički laseriopćenito oscilira u multi-longitudinalnom načinu rada, a izlazna širina linije je relativno široka, tako da je potrebno povećati optičku povratnu spregu da se dobije izlaz uske širine linije.
Distributed feedback (DFB) i Distributed Bragg refleksija (DBR) dva su tipična interna optička povratna poluvodička lasera.Zbog malog koraka rešetke i dobre selektivnosti valne duljine, lako je postići stabilan jednofrekventni izlaz uske širine linije.Glavna razlika između dviju struktura je položaj rešetke: DFB struktura obično raspoređuje periodičku strukturu Braggove rešetke po cijelom rezonatoru, a rezonator DBR-a obično se sastoji od strukture refleksijske rešetke i područja pojačanja integriranog u krajnju površinu.Osim toga, DFB laseri koriste ugrađene rešetke s niskim kontrastom indeksa loma i niskom refleksijom.DBR laseri koriste površinske rešetke s visokim kontrastom indeksa loma i velikom refleksijom.Obje strukture imaju veliki slobodni spektralni raspon i mogu izvesti ugađanje valne duljine bez skoka moda u rasponu od nekoliko nanometara, pri čemu DBR laser ima širi raspon ugađanja odDFB laser.Dodatno, tehnologija optičke povratne sprege s vanjskom šupljinom, koja koristi vanjske optičke elemente za povratnu spregu odlazne svjetlosti poluvodičkog laserskog čipa i odabir frekvencije, također može ostvariti rad poluvodičkog lasera u uskoj širini linije.
(2) Vlaknasti laseri
Vlaknasti laseri imaju visoku učinkovitost pretvorbe pumpe, dobru kvalitetu zrake i visoku učinkovitost spajanja, što su vruće teme istraživanja u polju lasera.U kontekstu informacijskog doba, optički laseri imaju dobru kompatibilnost s trenutnim optičkim komunikacijskim sustavima na tržištu.Jednofrekventni fiber laser s prednostima uske širine linije, niskog šuma i dobre koherencije postao je jedan od važnih smjerova njegova razvoja.
Jednostruki uzdužni način rada je jezgra vlaknastog lasera za postizanje izlaza uske širine linije, obično se prema strukturi rezonatora jednofrekventnog optičkog lasera može podijeliti na DFB tip, DBR tip i prstenasti tip.Među njima, princip rada jednofrekventnih vlaknastih lasera DFB i DBR sličan je principu rada poluvodičkih lasera DFB i DBR.
Kao što je prikazano na slici 1, DFB vlaknasti laser upisuje raspoređenu Braggovu rešetku u vlakno.Budući da na radnu valnu duljinu oscilatora utječe period vlakna, uzdužni način rada može se odabrati putem raspodijeljene povratne sprege rešetke.Laserski rezonator DBR lasera obično se sastoji od para vlaknastih Braggovih rešetki, a jedan uzdužni mod uglavnom se odabire uskopojasnim vlaknastim Braggovim rešetkama niske refleksije.Međutim, zbog dugog rezonatora, složene strukture i nedostatka učinkovitog mehanizma diskriminacije frekvencija, šupljina u obliku prstena sklona je skakanju modova i teško je dugo raditi stabilno u konstantnom uzdužnom modu.
Slika 1, Dvije tipične linearne strukture jedne frekvencijevlaknasti laseri
Vrijeme objave: 27. studenoga 2023