I dag vil vi introducere en "monokromatisk" laser til den ekstreme - laser med smal linjebredde. Dens fremkomst udfylder hullerne i mange anvendelsesområder for laser, og har i de senere år været meget brugt i gravitationsbølgedetektion, liDAR, distribueret sensing, højhastigheds kohærent optisk kommunikation og andre felter, hvilket er en "mission", der ikke kan færdiggøres kun ved at forbedre laserkraften.
Hvad er en laser med smal linjebredde?
Udtrykket "linjebredde" refererer til laserens spektrale linjebredde i frekvensdomænet, som normalt kvantificeres i form af spektrets halvspidsfulde bredde (FWHM). Linjebredden påvirkes hovedsageligt af den spontane stråling af exciterede atomer eller ioner, fasestøj, mekanisk vibration af resonatoren, temperaturjitter og andre eksterne faktorer. Jo mindre værdien af linjebredden er, jo højere er renheden af spektret, det vil sige, jo bedre er laserens monokromaticitet. Lasere med sådanne karakteristika har normalt meget lidt fase- eller frekvensstøj og meget lidt relativ intensitetsstøj. Samtidig gælder det, at jo mindre den lineære breddeværdi af laseren er, desto stærkere er den tilsvarende kohærens, hvilket kommer til udtryk som en ekstremt lang kohærenslængde.
Realisering og anvendelse af laser med smal linjebredde
Begrænset af den iboende forstærkningslinjebredde af laserens arbejdsstof er det næsten umuligt direkte at realisere outputtet fra laseren med smal linjebredde ved at stole på den traditionelle oscillator selv. For at realisere driften af laser med smal linjebredde er det normalt nødvendigt at bruge filtre, gitter og andre enheder til at begrænse eller vælge det langsgående modul i forstærkningsspektret, øge nettoforstærkningsforskellen mellem de langsgående tilstande, så der er en få eller endda kun en langsgående modusoscillation i laserresonatoren. I denne proces er det ofte nødvendigt at kontrollere støjens indflydelse på laseroutputtet og minimere udvidelsen af spektrallinjer forårsaget af vibrationer og temperaturændringer i det ydre miljø; Samtidig kan det også kombineres med analysen af fase- eller frekvensstøjspektraltæthed for at forstå kilden til støj og optimere laserens design for at opnå stabil udgang af laseren med smal linjebredde.
Lad os tage et kig på realiseringen af drift med smal linjebredde af flere forskellige kategorier af lasere.
Halvlederlasere har fordelene ved kompakt størrelse, høj effektivitet, lang levetid og økonomiske fordele.
Fabry-Perot (FP) optiske resonator, der bruges i traditionelhalvlederlaseresvinger generelt i multi-langsgående tilstand, og udgangslinjebredden er relativt bred, så det er nødvendigt at øge den optiske feedback for at opnå output med smal linjebredde.
Distribueret feedback (DFB) og Distributed Bragg-reflektion (DBR) er to typiske interne optiske feedback-halvlederlasere. På grund af den lille gitterstigning og gode bølgelængdeselektivitet er det nemt at opnå stabil enkeltfrekvens, smal linjebredde-output. Hovedforskellen mellem de to strukturer er gitterets position: DFB-strukturen fordeler sædvanligvis den periodiske struktur af Bragg-gitteret gennem resonatoren, og resonatoren i DBR består normalt af reflektionsgitterstrukturen og forstærkningsområdet integreret i endefladen. Derudover bruger DFB-lasere indlejrede gitre med lav brydningsindekskontrast og lav reflektivitet. DBR-lasere bruger overfladegitre med høj brydningsindekskontrast og høj reflektivitet. Begge strukturer har et stort frit spektralområde og kan udføre bølgelængdetuning uden modespring i området på nogle få nanometer, hvor DBR-laseren har et bredere tuningområde endDFB laser. Derudover kan den eksterne kavitets optiske feedback-teknologi, som bruger eksterne optiske elementer til at feedbacke det udgående lys fra halvlederlaserchippen og vælge frekvensen, også realisere halvlederlaserens smalle linjebreddedrift.
(2) Fiberlasere
Fiberlasere har høj pumpekonverteringseffektivitet, god strålekvalitet og høj koblingseffektivitet, som er de hotte forskningsemner på laserområdet. I forbindelse med informationsalderen har fiberlasere god kompatibilitet med nuværende optiske fiberkommunikationssystemer på markedet. Enkeltfrekvent fiberlaser med fordelene ved smal linjebredde, lav støj og god sammenhæng er blevet en af de vigtige retninger i dens udvikling.
Single longitudinal mode operation er kernen i fiberlaser for at opnå smal linjebredde output, normalt i henhold til strukturen af resonatoren af enkelt frekvens fiber laser kan opdeles i DFB type, DBR type og ring type. Blandt dem ligner arbejdsprincippet for DFB- og DBR-enkeltfrekvensfiberlasere det for DFB- og DBR-halvlederlasere.
Som vist i figur 1 skal DFB fiberlaser skrive fordelt Bragg-gitter ind i fiberen. Fordi oscillatorens arbejdsbølgelængde påvirkes af fiberperioden, kan den langsgående tilstand vælges gennem den distribuerede feedback af gitteret. Laserresonatoren til DBR-laseren er normalt dannet af et par fiber-Bragg-gitre, og den enkelte langsgående tilstand vælges hovedsageligt af smalbånds- og lavreflekterende fiber-Bragg-gitre. Men på grund af dens lange resonator, komplekse struktur og mangel på effektiv frekvensdiskrimineringsmekanisme er ringformet hulrum tilbøjelig til at hoppe, og det er vanskeligt at arbejde stabilt i konstant langsgående tilstand i lang tid.
Figur 1, To typiske lineære strukturer med enkelt frekvensfiberlasere
Indlægstid: 27. november 2023