Данас ћемо представити „монохроматски“ ласер до крајњих граница – ласер уске ширине линије. Његова појава попуњава празнине у многим областима примене ласера, а последњих година се широко користи у детекцији гравитационих таласа, лиДАР-у, дистрибуираном очитавању, брзој кохерентној оптичкој комуникацији и другим областима, што је „мисија“ која се не може завршити само побољшањем снаге ласера.
Шта је ласер са уском ширином линије?
Термин „ширина линије“ односи се на спектралну ширину линије ласера у фреквентном домену, која се обично квантификује у смислу полувршне пуне ширине спектра (FWHM). На ширину линије углавном утиче спонтано зрачење побуђених атома или јона, фазни шум, механичке вибрације резонатора, температурно подрхтавање и други спољни фактори. Што је мања вредност ширине линије, то је већа чистоћа спектра, односно боља је монохроматичност ласера. Ласери са таквим карактеристикама обично имају врло мало фазног или фреквентног шума и врло мало релативног интензитетског шума. Истовремено, што је мања вредност линеарне ширине ласера, то је јача одговарајућа кохеренција, која се манифестује као изузетно дуга кохерентна дужина.
Реализација и примена ласера уске ширине линије
Ограничено инхерентном ширином линије појачања радне супстанце ласера, готово је немогуће директно реализовати излаз ласера уске ширине линије ослањајући се на сам традиционални осцилатор. Да би се реализовао рад ласера уске ширине линије, обично је потребно користити филтере, решетке и друге уређаје како би се ограничио или одабрао уздужни модул у спектру појачања, повећала нето разлика у појачању између уздужних модова, тако да постоји неколико или чак само једна уздужна осцилација модова у ласерском резонатору. У овом процесу, често је потребно контролисати утицај шума на излаз ласера и минимизирати ширење спектралних линија изазвано вибрацијама и променама температуре спољашње средине; Истовремено, може се комбиновати и са анализом спектралне густине фазног или фреквентног шума како би се разумео извор шума и оптимизовао дизајн ласера, како би се постигао стабилан излаз ласера уске ширине линије.
Хајде да погледамо реализацију рада уског линијског опсега неколико различитих категорија ласера.
Полупроводнички ласери имају предности компактне величине, високе ефикасности, дугог века трајања и економских користи.
Фабри-Пероов (ФП) оптички резонатор који се користи у традиционалнимполупроводнички ласериГенерално осцилује у вишеструком уздужном режиму, а ширина излазне линије је релативно широка, па је потребно повећати оптичку повратну спрегу да би се добио излаз уске ширине линије.
Дистрибуирана повратна спрега (DFB) и дистрибуирана Брегова рефлексија (DBR) су два типична полупроводничка ласера са унутрашњом оптичком повратном спрегом. Због малог корака решетке и добре селективности таласне дужине, лако је постићи стабилан једнофреквентни излаз уске ширине линије. Главна разлика између ове две структуре је положај решетке: DFB структура обично распоређује периодичну структуру Брегове решетке по целом резонатору, а резонатор DBR-а се обично састоји од структуре рефлексне решетке и области појачања интегрисане у крајњу површину. Поред тога, DFB ласери користе уграђене решетке са ниским контрастом индекса преламања и ниском рефлективношћу. DBR ласери користе површинске решетке са високим контрастом индекса преламања и високом рефлективношћу. Обе структуре имају велики слободни спектрални опсег и могу да врше подешавање таласне дужине без скока мода у опсегу од неколико нанометара, где DBR ласер има шири опсег подешавања од...ДФБ ласерПоред тога, технологија оптичке повратне спреге са спољном шупљином, која користи спољне оптичке елементе за повратну спрегу излазне светлости полупроводничког ласерског чипа и избор фреквенције, такође може да оствари рад полупроводничког ласера са уском ширином линије.
(2) Фибер ласери
Влакнасти ласери имају високу ефикасност конверзије пумпе, добар квалитет снопа и високу ефикасност спрезања, што су актуелне теме истраживања у области ласера. У контексту информационог доба, влакнасти ласери имају добру компатибилност са тренутним оптичким комуникационим системима на тржишту. Једнофреквентни влакнасти ласер са предностима уске ширине линије, ниског шума и добре кохерентности постао је један од важних праваца његовог развоја.
Једнофреквентни уздужни мод рада је суштина рада влакнастих ласера за постизање уске ширине линије. Обично се, према структури резонатора, једнофреквентни влакнасти ласери могу поделити на DFB тип, DBR тип и прстенасти тип. Међу њима, принцип рада једнофреквентних влакнастих ласера DFB и DBR је сличан принципу рада DFB и DBR полупроводничких ласера.
Као што је приказано на слици 1, DFB влакнасти ласер треба да запише дистрибуирану Брегову решетку у влакно. Пошто је радна таласна дужина осцилатора под утицајем периода влакна, уздужни мод се може одабрати путем дистрибуиране повратне спреге решетке. Ласерски резонатор DBR ласера обично је формиран од пара влакнастих Брегових решетки, а један уздужни мод се углавном бира помоћу ускопојасних и нискорефлективних влакнастих Брегових решетки. Међутим, због свог дугог резонатора, сложене структуре и недостатка ефикасног механизма за фреквентну дискриминацију, прстенаста шупљина је склона скакању модова и тешко је стабилно радити у константном уздужном моду током дужег времена.
Слика 1, Две типичне линеарне структуре једне фреквенцијевлакнасти ласери
Време објаве: 27. новембар 2023.