Šodien mēs iepazīstināsim ar galējībām – šaura līnijas platuma lāzeru – ar “monohromatisku” lāzeru. Tā parādīšanās aizpilda robus daudzās lāzeru pielietojuma jomās, un pēdējos gados tas ir plaši izmantots gravitācijas viļņu noteikšanā, liDAR, izkliedētajā sensorizācijā, ātrdarbīgā koherentā optiskajā komunikācijā un citās jomās, kas ir “misija”, ko nevar paveikt, tikai uzlabojot lāzera jaudu.
Kas ir šaura līnijas platuma lāzers?
Termins “līnijas platums” attiecas uz lāzera spektra līnijas platumu frekvenču apgabalā, ko parasti kvantificē kā spektra puspīķa pilnu platumu (FWHM). Līnijas platumu galvenokārt ietekmē ierosināto atomu vai jonu spontānais starojums, fāzes troksnis, rezonatora mehāniskā vibrācija, temperatūras svārstības un citi ārēji faktori. Jo mazāka ir līnijas platuma vērtība, jo augstāka ir spektra tīrība, tas ir, jo labāka ir lāzera monohromatiskums. Lāzeriem ar šādām īpašībām parasti ir ļoti mazs fāzes vai frekvences troksnis un ļoti mazs relatīvās intensitātes troksnis. Tajā pašā laikā, jo mazāka ir lāzera lineārā platuma vērtība, jo spēcīgāka ir atbilstošā koherence, kas izpaužas kā ārkārtīgi liels koherences garums.
Šaura līnijas platuma lāzera realizācija un pielietošana
Lāzera darba vielas raksturīgā pastiprinājuma līnijas platuma ierobežojumu dēļ ir gandrīz neiespējami tieši realizēt šaura līnijas platuma lāzera izejas signālu, paļaujoties uz pašu tradicionālo oscilatoru. Lai realizētu šaura līnijas platuma lāzera darbību, parasti ir jāizmanto filtri, režģi un citas ierīces, lai ierobežotu vai izvēlētos garenisko moduli pastiprinājuma spektrā, palielinātu tīro pastiprinājuma starpību starp gareniskajiem režīmiem, lai lāzera rezonatorā būtu dažas vai pat tikai viena gareniskā režīma svārstība. Šajā procesā bieži vien ir jākontrolē trokšņa ietekme uz lāzera izejas signālu un jāsamazina spektrālo līniju paplašināšanās, ko izraisa ārējās vides vibrācijas un temperatūras izmaiņas; vienlaikus to var apvienot arī ar fāzes vai frekvences trokšņa spektrālā blīvuma analīzi, lai izprastu trokšņa avotu un optimizētu lāzera konstrukciju, lai panāktu stabilu šaura līnijas platuma lāzera izejas signālu.
Apskatīsim vairāku dažādu lāzeru kategoriju šaura līnijas platuma darbības realizāciju.
Pusvadītāju lāzeriem ir tādas priekšrocības kā kompakts izmērs, augsta efektivitāte, ilgs kalpošanas laiks un ekonomiskas priekšrocības.
Fabrī-Pero (FP) optiskais rezonators, ko izmanto tradicionālajāpusvadītāju lāzeriparasti svārstās daudzgareniskā režīmā, un izejas līnijas platums ir relatīvi plats, tāpēc ir jāpalielina optiskā atgriezeniskā saite, lai iegūtu šaura līnijas platuma izeju.
Izkliedētā atgriezeniskā saite (DFB) un izkliedētā Brega refleksija (DBR) ir divi tipiski iekšējās optiskās atgriezeniskās saites pusvadītāju lāzeri. Pateicoties mazajam režģa solim un labai viļņa garuma selektivitātei, ir viegli panākt stabilu vienas frekvences šaura līnijas platuma izeju. Galvenā atšķirība starp abām struktūrām ir režģa novietojums: DFB struktūra parasti izkliedē Brega režģa periodisko struktūru visā rezonatorā, un DBR rezonators parasti sastāv no atstarošanas režģa struktūras un pastiprinājuma apgabala, kas integrēts gala virsmā. Turklāt DFB lāzeri izmanto iestrādātus režģus ar zemu refrakcijas indeksa kontrastu un zemu atstarošanas spēju. DBR lāzeri izmanto virsmas režģus ar augstu refrakcijas indeksa kontrastu un augstu atstarošanas spēju. Abām struktūrām ir liels brīvais spektra diapazons, un tās var veikt viļņa garuma regulēšanu bez režīma lēciena dažu nanometru diapazonā, kur DBR lāzeram ir plašāks regulēšanas diapazons nekā...DFB lāzersTurklāt ārējās dobuma optiskās atgriezeniskās saites tehnoloģija, kas izmanto ārējos optiskos elementus, lai atgriezeniski atsauktos uz pusvadītāju lāzera mikroshēmas izejošo gaismu un izvēlētos frekvenci, var realizēt arī pusvadītāju lāzera šaurā līnijas platuma darbību.
(2) Šķiedru lāzeri
Šķiedru lāzeriem ir augsta sūknēšanas konversijas efektivitāte, laba stara kvalitāte un augsta savienojuma efektivitāte, kas ir aktuālas pētniecības tēmas lāzeru jomā. Informācijas laikmeta kontekstā šķiedru lāzeriem ir laba saderība ar pašreizējām tirgū pieejamajām optisko šķiedru sakaru sistēmām. Vienfrekvences šķiedru lāzers ar šaura līnijas platuma, zema trokšņa un labas koherences priekšrocībām ir kļuvis par vienu no svarīgākajiem tā attīstības virzieniem.
Šķiedras lāzera pamatā ir viena gareniskā režīma darbība, lai panāktu šaura līnijas platuma izvadi. Parasti, atkarībā no rezonatora struktūras, vienfrekvences šķiedru lāzerus var iedalīt DFB, DBR un gredzena tipa lāzeros. Starp tiem DFB un DBR vienfrekvences šķiedru lāzeru darbības princips ir līdzīgs DFB un DBR pusvadītāju lāzeru darbības principam.
Kā parādīts 1. attēlā, DFB šķiedru lāzers šķiedrā ieraksta izkliedētu Brega režģi. Tā kā oscilatora darba viļņa garumu ietekmē šķiedras periods, garenisko režīmu var izvēlēties, izmantojot režģa izkliedēto atgriezenisko saiti. DBR lāzera rezonatoru parasti veido šķiedru Brega režģu pāris, un vienīgo garenisko režīmu galvenokārt izvēlas šaurjoslas un zemas atstarošanas šķiedru Brega režģi. Tomēr garā rezonatora, sarežģītās struktūras un efektīva frekvenču atšķiršanas mehānisma trūkuma dēļ gredzenveida rezonatoram ir tendence uz režīmu lēcieniem, un ir grūti ilgstoši stabili strādāt nemainīgā gareniskajā režīmā.
1. attēls. Divas tipiskas vienas frekvences lineāras struktūrasšķiedru lāzeri
Publicēšanas laiks: 2023. gada 27. novembris