Lasere cu lățime de linie îngustă

Unele aplicații laser necesită ca laserul să aibă o lățime de linie foarte îngustă, adică un spectru îngust. Laserele cu lățime de linie îngustă se referă la lasere cu o singură frecvență, adică există un mod de cavitate rezonantă în valoarea laserului, iar zgomotul de fază este foarte scăzut, astfel încât puritatea spectrală este foarte mare. De obicei, astfel de lasere au zgomot de intensitate foarte scăzută.

Cele mai importante tipuri de lasere cu lățime de linie îngustă sunt următoarele:

1. Laserele semiconductoare, diodele laser cu feedback distribuit (lasere DFB) și laserele cu reflexie Bragg distribuite (lasere DBR), sunt utilizate cel mai frecvent în regiunea de 1500 sau 1000 nm. Parametrii de funcționare tipici sunt o putere de ieșire de zeci de miliwați (uneori mai mare de 100 de miliwați) și o lățime de linie de câțiva MHz.

2. Lățimi de linie mai înguste pot fi obținute cu lasere semiconductoare, de exemplu prin extinderea rezonatorului cu o fibră monomod care conține o rețea Bragg cu fibre în bandă îngustă sau prin utilizarea unui laser cu diodă cu cavitate externă. Folosind această metodă, se poate obține o lățime de linie ultra-îngustă de câțiva kHz sau chiar mai mică de 1 kHz.

3. Laserele mici cu fibre de feedback distribuite (rezonatoare realizate din rețele Bragg de fibre speciale) pot genera puteri de ieșire de zeci de miliwați cu lățimi de linie în intervalul kHz.

4. Laserele cu corp solid pompate cu diode cu rezonatoare inelare neplanare pot obține, de asemenea, o lățime de linie de câțiva kHz, în timp ce puterea de ieșire este relativ mare, de ordinul a 1W. Deși o lungime de undă tipică este de 1064 nm, sunt posibile și alte regiuni de lungime de undă, cum ar fi 1300 sau 1500 nm.

Principalii factori care afectează lățimea liniei înguste a laserelor

Pentru a realiza un laser cu o lățime de bandă de radiație foarte îngustă (lățime de linie), în proiectarea laserului trebuie luați în considerare următorii factori:

În primul rând, trebuie realizată funcționarea cu o singură frecvență. Acest lucru este ușor de realizat prin utilizarea unui mediu de câștig cu o lățime de bandă de câștig mică și o cavitate laser scurtă (rezultând o gamă spectrală liberă mare). Scopul ar trebui să fie o funcționare stabilă pe termen lung, cu o singură frecvență, fără sărituri de mod.

În al doilea rând, influența zgomotului extern trebuie redusă la minimum. Acest lucru necesită o configurație stabilă a rezonatorului (monocrom) sau protecție specială împotriva vibrațiilor mecanice. Laserele pompate electric trebuie să utilizeze surse de curent sau tensiune cu zgomot redus, în timp ce laserele pompate optic trebuie să aibă zgomot de intensitate scăzută ca sursă de lumină a pompei. În plus, toate undele luminoase de feedback trebuie evitate, de exemplu prin utilizarea izolatoarelor Faraday. În teorie, zgomotul extern are o influență mai mică decât zgomotul intern, cum ar fi emisia spontană în mediul de câștig. Acest lucru este ușor de realizat atunci când frecvența zgomotului este mare, dar atunci când frecvența zgomotului este scăzută, efectul asupra lățimii liniei este cel mai important.

În al treilea rând, designul laserului trebuie optimizat pentru a minimiza zgomotul laser, în special zgomotul de fază. Sunt de preferat puterea mare intracavitate și rezonatoarele lungi, deși funcționarea stabilă cu o singură frecvență este mai dificil de realizat în acest caz.

Optimizarea sistemului necesită o înțelegere a importanței diferitelor surse de zgomot, deoarece sunt necesare măsurători diferite în funcție de sursa de zgomot dominantă. De exemplu, lățimea de linie minimizată conform ecuației Schawlow-Townes nu minimizează neapărat lățimea de linie reală dacă lățimea de linie reală este determinată de zgomotul mecanic.

Caracteristici de zgomot și specificații de performanță.

Atât caracteristicile de zgomot, cât și valorile de performanță ale laserelor cu lățime de linie îngustă sunt probleme triviale. Diferite tehnici de măsurare sunt discutate în secțiunea Lățime de linie, în special lățimi de linie de câțiva kHz sau mai puțin sunt solicitante. În plus, doar luând în considerare valoarea lățimii liniilor nu se poate da toate caracteristicile de zgomot; este necesar să se ofere un spectru complet de zgomot de fază, precum și informații despre zgomotul de intensitate relativă. Valoarea lățimii de linie trebuie combinată cu cel puțin timpul de măsurare sau alte informații care țin cont de deviația de frecvență pe termen lung.

Desigur, diferite aplicații au cerințe diferite și ce nivel de indice de performanță a zgomotului trebuie luat în considerare în diferite situații reale.

Aplicații ale laserelor cu lățime de linie îngustă

1. O aplicație foarte importantă este în domeniul detectării, cum ar fi senzorii cu fibră optică de presiune sau temperatură, diverse detectări cu interferometre, utilizarea LIDAR de absorbție diferită pentru a detecta și urmărirea gazului și utilizarea LIDAR Doppler pentru a măsura viteza vântului. Unii senzori cu fibră optică necesită o lățime de linie laser de câțiva kHz, în timp ce în măsurătorile LIDAT, o lățime de linie de 100 kHz este suficientă.

2. Măsurătorile optice ale frecvenței necesită lățimi de linie a sursei foarte înguste, care necesită tehnici de stabilizare pentru a fi realizate.

3. Sistemele de comunicații cu fibră optică au cerințe relativ reduse privind lățimea liniei și sunt utilizate în principal pentru transmițătoare sau pentru detectare sau măsurare.