I dag introducerer vi en "monokromatisk" laser til det ekstreme – en smal linjebreddelaser. Dens fremkomst udfylder hullerne i mange af laserens anvendelsesområder, og den er i de senere år blevet meget anvendt inden for gravitationsbølgedetektion, liDAR, distribueret sensorering, kohærent optisk kommunikation med høj hastighed og andre områder, hvilket er en "mission", der ikke kan fuldføres blot ved at forbedre laserens effekt.
Hvad er en smal linjebreddelaser?
Udtrykket "linjebredde" refererer til laserens spektrale linjebredde i frekvensdomænet, som normalt kvantificeres som halvpeak fuld bredde af spektret (FWHM). Linjebredden påvirkes hovedsageligt af spontan stråling fra exciterede atomer eller ioner, fasestøj, mekanisk vibration fra resonatoren, temperaturjitter og andre eksterne faktorer. Jo mindre linjebredden er, desto højere er spektrets renhed, det vil sige, desto bedre er laserens monokromatiske egenskaber. Lasere med sådanne egenskaber har normalt meget lidt fase- eller frekvensstøj og meget lidt relativ intensitetsstøj. Samtidig gælder det, at jo mindre laserens lineære breddeværdi er, desto stærkere er den tilsvarende kohærens, hvilket manifesterer sig som en ekstremt lang kohærenslængde.
Realisering og anvendelse af smal linjebreddelaser
Begrænset af den iboende forstærkningslinjebredde i laserens arbejdssubstans er det næsten umuligt direkte at realisere outputtet fra den smalle linjebreddelaser ved at stole på selve den traditionelle oscillator. For at realisere driften af en smal linjebreddelaser er det normalt nødvendigt at bruge filtre, gitter og andre enheder til at begrænse eller vælge det longitudinale modul i forstærkningsspektret, øge nettoforstærkningsforskellen mellem de longitudinale tilstande, således at der er få eller endda kun én longitudinel tilstandsoscillation 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 analyse af fase- eller frekvensstøjens spektraldensitet for at forstå støjkilden og optimere laserens design for at opnå et stabilt output fra den smalle linjebreddelaser.
Lad os se på realiseringen af smal linjebreddedrift for flere forskellige kategorier af lasere.
Halvlederlasere har fordelene ved kompakt størrelse, høj effektivitet, lang levetid og økonomiske fordele.
Fabry-Perot (FP) optisk resonator, der anvendes i traditionellehalvlederlasereoscillerer generelt i multilongitudinel tilstand, og outputlinjebredden er relativt bred, så det er nødvendigt at øge den optiske feedback for at opnå output med smal linjebredde.
Distribueret feedback (DFB) og distribueret Bragg-refleksion (DBR) er to typiske interne optiske feedback-halvlederlasere. På grund af den lille gitterafstand og gode bølgelængdeselektivitet er det nemt at opnå stabilt output med smal linjebredde ved én frekvens. Hovedforskellen mellem de to strukturer er gitterets placering: DFB-strukturen fordeler normalt Bragg-gitterets periodiske struktur i hele resonatoren, og DBR's resonator består normalt af refleksionsgitterstrukturen og forstærkningsområdet integreret i endefladen. Derudover bruger DFB-lasere indlejrede gitre med lavt brydningsindekskontrast og lav reflektivitet. DBR-lasere bruger overfladegitre med højt brydningsindekskontrast og høj reflektivitet. Begge strukturer har et stort frit spektralområde og kan udføre bølgelængdejustering uden modespring i området på et par nanometer, hvor DBR-laseren har et bredere justeringsområde end...DFB-laserDerudover kan den eksterne kavitets optiske feedbackteknologi, der bruger eksterne optiske elementer til at give feedback på det udgående lys fra halvlederlaserchippen og vælge frekvensen, også realisere halvlederlaserens smalle linjebreddefunktion.
(2) Fiberlasere
Fiberlasere har høj pumpekonverteringseffektivitet, god strålekvalitet og høj koblingseffektivitet, hvilket er varme forskningsemner inden for laserfeltet. I forbindelse med informationsalderen har fiberlasere god kompatibilitet med nuværende optiske fiberkommunikationssystemer på markedet. Enkeltfrekvensfiberlaseren med fordelene ved smal linjebredde, lav støj og god kohærens er blevet en af de vigtige retninger i dens udvikling.
Enkelt longitudinel drift er kernen i fiberlasere for at opnå smal linjebreddeudgang, og normalt kan enkeltfrekvensfiberlasere opdeles i DFB-type, DBR-type og ringtype i henhold til resonatorstrukturen. Blandt disse ligner arbejdsprincippet for DFB- og DBR-enkeltfrekvensfiberlasere det samme som for DFB- og DBR-halvlederlasere.
Som vist i figur 1, skriver DFB-fiberlaser et distribueret Bragg-gitter ind i fiberen. Da oscillatorens arbejdsbølgelængde påvirkes af fiberperioden, kan den longitudinelle tilstand vælges gennem gitterets distribuerede feedback. DBR-laserens laserresonator er normalt dannet af et par fiber-Bragg-gitre, og den enkelte longitudinelle tilstand vælges primært af smalbåndede og lavreflektive fiber-Bragg-gitre. På grund af dens lange resonator, komplekse struktur og manglen på en effektiv frekvensdiskriminationsmekanisme er det ringformede hulrum imidlertid tilbøjeligt til modehopping, og det er vanskeligt at arbejde stabilt i konstant longitudinel tilstand i lang tid.
Figur 1, To typiske lineære strukturer med enkelt frekvensfiberlasere
Opslagstidspunkt: 27. november 2023