Definiția lățimii de linie în lasere

Lățimea de linie a unui laser, în special a unui laser cu o singură frecvență, se referă la lățimea spectrului său (de obicei, lățimea completă la jumătate de maxim, FWHM). Mai precis, este lățimea densității spectrale a puterii câmpului electric radiat, exprimată în termeni de frecvență, număr de undă sau lungime de undă. Lățimea liniei unui laser este strâns legată de coerența temporală și se caracterizează prin timpul de coerență și lungimea coerenței. Dacă faza suferă o deplasare nelimitată, zgomotul de fază contribuie la lățimea liniei; acesta este cazul oscilatorilor liberi. (Fluctuațiile de fază limitate la un interval de fază foarte mic produc lățime de linie zero și unele benzi laterale de zgomot.) Schimbările în lungimea cavității rezonante contribuie, de asemenea, la lățimea liniei și o fac dependentă de timpul de măsurare. Acest lucru indică faptul că numai lățimea de linie, sau chiar o formă spectrală de dorit (forma de linie), nu poate oferi informații complete despre spectrul laser.

II. Măsurarea lățimii liniilor cu laser

Multe tehnici pot fi utilizate pentru a măsura lățimea liniei laser:

1. Când lățimea de linie este relativ mare (>10 GHz, când mai multe moduri oscilează în mai multe cavități rezonante laser), aceasta poate fi măsurată folosind un spectrometru tradițional care folosește un rețele de difracție. Cu toate acestea, este dificil să se obțină o rezoluție de înaltă frecvență folosind această metodă.

2. O altă metodă este utilizarea unui discriminator de frecvență pentru a converti fluctuațiile de frecvență în fluctuații de intensitate. Discriminatorul poate fi un interferometru dezechilibrat sau o cavitate de referință de înaltă precizie. Această metodă de măsurare are și o rezoluție limitată.

3. Laserele cu o singură frecvență folosesc de obicei o metodă auto-heterodină, care înregistrează ritmul dintre ieșirea laserului și propria frecvență după compensare și întârziere.

4. Pentru lățimi de linie de câteva sute de herți, tehnicile tradiționale auto-heterodine sunt nepractice deoarece necesită o lungime mare de întârziere. O buclă de fibră ciclică și un amplificator de fibră încorporat pot fi folosite pentru a extinde această lungime.

5. Rezoluția foarte mare poate fi obținută prin înregistrarea bătăilor a două lasere independente, unde zgomotul laserului de referință este mult mai mic decât cel al laserului de testare, sau specificațiile lor de performanță sunt similare. Se poate utiliza o buclă blocată în fază sau un calcul al diferenței de frecvență instantanee pe baza înregistrărilor matematice. Această metodă este foarte simplă și stabilă, dar necesită un alt laser (care funcționează în apropierea frecvenței laserului de testare). Dacă lățimea de linie măsurată necesită o gamă spectrală largă, un pieptene de frecvență este foarte convenabil.

Măsurătorile optice ale frecvenței necesită adesea o referință specifică de frecvență (sau timp) la un moment dat. Pentru laserele cu lățime de linie îngustă, este necesar doar un singur fascicul de referință pentru a oferi o referință suficient de precisă. Tehnicile auto-heterodine obțin o referință de frecvență prin aplicarea unei întârzieri de timp suficient de lungă configurației de testare în sine, evitând în mod ideal coerența temporală între fasciculul inițial și propriul fascicul întârziat. Prin urmare, fibrele optice lungi sunt utilizate de obicei. Cu toate acestea, datorită fluctuațiilor stabile și a efectelor acustice, fibrele lungi introduc zgomot de fază suplimentar.

Când este prezent zgomotul de frecvență 1/f, numai lățimea de linie nu poate descrie pe deplin eroarea de fază. O abordare mai bună este măsurarea spectrului Fourier al fluctuațiilor de fază sau frecvență instantanee și apoi caracterizarea acestuia folosind densitatea spectrală de putere; pot fi referiți indicatorii de performanță a zgomotului. Zgomotul 1/f (sau spectrul de zgomot al altor zgomote de joasă frecvență) poate cauza unele probleme de măsurare.

III. Minimizarea lățimii liniilor laser

Lățimea liniei laserului este direct legată de tipul laserului. Poate fi minimizat prin optimizarea designului laserului și suprimarea influențelor zgomotului extern. Primul pas este de a determina dacă zgomotul cuantic sau zgomotul clasic este dominant, deoarece acest lucru va afecta măsurătorile ulterioare.

Când puterea intracavității este mare, pierderea cavității rezonante este scăzută, iar timpul de călătorie dus-întors în cavitatea rezonantă este lung, zgomotul cuantic (în principal zgomotul de emisie spontană) al laserului are un impact mic. Zgomotul clasic poate fi cauzat de fluctuații mecanice, care pot fi atenuate prin utilizarea unui rezonator laser compact și scurt. Cu toate acestea, fluctuațiile de lungime pot avea uneori un efect mai puternic în rezonatoarele și mai scurte. Designul mecanic adecvat poate reduce cuplarea dintre rezonatorul laser și radiațiile externe și, de asemenea, poate minimiza efectele de derive termică. Fluctuațiile termice există și în mediul de câștig, cauzate de fluctuațiile puterii pompei. Pentru o mai bună performanță a zgomotului, sunt necesare alte dispozitive de stabilizare activă, dar inițial sunt de preferat metodele practice pasive. Lățimile de linie ale laserelor cu stare solidă cu o singură frecvență și ale laserelor cu fibră sunt în intervalul 1-2 Hz, uneori chiar sub 1 kHz. Metodele de stabilizare activă pot atinge lățimi de linie sub 1 kHz. Lățimile de linie ale diodelor laser sunt de obicei în intervalul MHz, dar pot fi reduse la kHz, de exemplu, în laserele cu diodă cu cavitate externă, în special cele cu feedback optic și cavități de referință de înaltă precizie.

IV. Probleme care decurg din lățimi înguste ale liniilor

În unele cazuri, o lățime a fasciculului foarte îngustă de la sursa laser nu este necesară:

4. Pentru lățimi de linie de câteva sute de herți, tehnicile tradiționale auto-heterodine sunt nepractice deoarece necesită o lungime mare de întârziere. O buclă de fibră ciclică și un amplificator de fibră încorporat pot fi folosite pentru a extinde această lungime.

2. Când lumina se propagă în fibre optice active sau pasive, lățimi de linii înguste pot cauza probleme din cauza împrăștierii Brillouin stimulate. În astfel de cazuri, este necesar să se mărească lățimea liniei, de exemplu, prin ditherarea rapidă a frecvenței tranzitorii a unei diode laser sau a unui modulator optic folosind modularea curentului. Lățimea de linie este, de asemenea, folosită pentru a descrie lățimea tranzițiilor optice (de exemplu, tranzițiile laser sau unele caracteristici de absorbție). În tranzițiile unui atom sau ion unic staționar, lățimea liniei este legată de durata de viață a stării de energie superioară (mai precis, durata de viață dintre stările de energie superioară și inferioară) și se numește lățime naturală de linie. Mișcarea (vezi lărgirea Doppler) sau interacțiunea atomilor sau ionilor poate lărgi lățimea liniei, cum ar fi lărgirea presiunii în gaze sau interacțiunile fononilor în mediile solide. Dacă diferiți atomi sau ioni sunt afectați diferit, poate apărea o lărgire neuniformă.