Данас ћемо представити „монохроматски“ ласер до екстремног – ласера са уским линијама. Његово појављивање попуњава празнине у многим областима примене ласера, а последњих година се широко користи у детекцији гравитационих таласа, лиДАР-у, дистрибуираном сенсингу, кохерентној оптичкој комуникацији велике брзине и другим пољима, што је „мисија“ која се не може завршен само побољшањем снаге ласера.
Шта је ласер уске линије?
Термин „ширина линије“ се односи на ширину спектралне линије ласера у фреквенцијском домену, која се обично квантификује у смислу полувршне пуне ширине спектра (ФВХМ). На ширину линије углавном утичу спонтано зрачење побуђених атома или јона, фазни шум, механичка вибрација резонатора, треперење температуре и други спољни фактори. Што је мања вредност ширине линије, то је већа чистоћа спектра, односно монохроматичност ласера је боља. Ласери са таквим карактеристикама обично имају врло мало фазног или фреквентног шума и врло мало шума релативног интензитета. Истовремено, што је мања вредност линеарне ширине ласера, то је јача одговарајућа кохерентност, која се манифестује као изузетно велика дужина кохерентности.
Реализација и примена ласера уске 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 за ограничавање или одабир лонгитудиналног модула у спектру појачања, повећање нето разлике појачања између лонгитудиналних модова, тако да постоји неколико или чак само једно осциловање уздужног мода у ласерском резонатору. У овом процесу често је потребно контролисати утицај шума на ласерски излаз, и минимизирати ширење спектралних линија узроковано вибрацијама и променама температуре спољашњег окружења; Истовремено, може се комбиновати са анализом спектралне густине фазног или фреквентног шума да би се разумео извор шума и оптимизовао дизајн ласера, како би се постигао стабилан излаз ласера са уском ширином линије.
Хајде да погледамо реализацију операције уске ширине линије неколико различитих категорија ласера.
Полупроводнички ласери имају предности компактне величине, високе ефикасности, дугог века трајања и економских предности.
Оптички резонатор Фабри-Перот (ФП) који се користи у традиционалнојполупроводнички ласеригенерално осцилира у више 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 (ДФБ) и Дистрибутед Брагг рефлексија (ДБР) су два типична интерна полупроводничка ласера са оптичком повратном спрегом. Због малог корака решетке и добре селективности таласне дужине, лако је постићи стабилан једнофреквентни излаз уске линије. Главна разлика између ове две структуре је положај решетке: ДФБ структура обично дистрибуира периодичну структуру Брегове решетке по целом резонатору, а резонатор ДБР се обично састоји од структуре рефлексијске решетке и области појачања интегрисане у крајња површина. Поред тога, ДФБ ласери користе уграђене решетке са ниским контрастом индекса преламања и ниском рефлексијом. ДБР ласери користе површинске решетке са високим контрастом индекса преламања и високом рефлексијом. Обе структуре имају велики слободни спектрални опсег и могу извршити подешавање таласне дужине без скока режима у опсегу од неколико нанометара, где ДБР ласер има шири опсег подешавања одДФБ ласер. Поред тога, технологија оптичке повратне спреге са спољашњом шупљином, која користи спољне оптичке елементе за повратну везу одлазеће светлости полупроводничког ласерског чипа и одабир фреквенције, такође може да реализује рад уске ширине линије полупроводничког ласера.
(2) Фибер ласери
Фибер ласери имају високу ефикасност конверзије пумпе, добар квалитет зрака и високу ефикасност спајања, што су вруће теме истраживања у области ласера. У контексту информационог доба, оптички ласери имају добру компатибилност са тренутним комуникационим системима оптичких влакана на тржишту. Једнофреквентни фибер ласер са предностима уске ширине линије, ниске буке и добре кохерентности постао је један од важних праваца његовог развоја.
Једноструки уздужни режим рада је језгро ласера са влакнима за постизање уског излаза ширине линије, обично према структури резонатора једнофреквентног ласерског влакна може се поделити на ДФБ тип, ДБР тип и прстенасти тип. Међу њима, принцип рада ДФБ и ДБР ласера са једнофреквентним влакнима је сличан оном код ДФБ и ДБР полупроводничких ласера.
Као што је приказано на слици 1, ДФБ ласер са влакнима треба да упише дистрибуирану Брегову решетку у влакно. Пошто на радну таласну дужину осцилатора утиче период влакна, лонгитудинални режим се може изабрати преко дистрибуиране повратне спреге решетке. Ласерски резонатор ДБР ласера се обично формира од пара влакнастих Браггових решетки, а појединачни уздужни мод се углавном бира помоћу уског појаса и Брегових влакана ниске рефлексије. Међутим, због свог дугог резонатора, сложене структуре и недостатка ефикасног механизма дискриминације фреквенције, шупљина у облику прстена је склона скакању модова и тешко је стабилно радити у константном уздужном режиму дуго времена.
Слика 1, Две типичне линеарне структуре једне фреквенцијефибер ласери
Време поста: 27.11.2023