Idag kommer vi att introducera en "monokromatisk" laser till det extrema - laser med smal linjebredd. Dess uppkomst fyller luckorna i många användningsområden för laser och har på senare år använts i stor utsträckning inom gravitationsvågsdetektering, liDAR, distribuerad avkänning, höghastighets koherent optisk kommunikation och andra fält, vilket är ett "uppdrag" som inte kan kompletteras endast genom att förbättra lasereffekten.
Vad är en laser med smal linjebredd?
Termen "linjebredd" avser laserns spektrala linjebredd i frekvensdomänen, som vanligtvis kvantifieras i termer av halvtoppens fulla bredd (FWHM). Linjebredden påverkas huvudsakligen av den spontana strålningen av exciterade atomer eller joner, fasbrus, mekaniska vibrationer av resonatorn, temperaturjitter och andra yttre faktorer. Ju mindre värdet på linjebredden är, desto högre är renheten i spektrumet, det vill säga desto bättre är laserns monokromaticitet. Lasrar med sådana egenskaper har vanligtvis mycket lite fas- eller frekvensbrus och mycket lite relativ intensitetsbrus. Samtidigt, ju mindre det linjära breddvärdet för lasern är, desto starkare blir motsvarande koherens, vilket manifesteras som en extremt lång koherenslängd.
Realisering och tillämpning av laser med smal linjebredd
Begränsad av den inneboende förstärkningslinjebredden hos laserns arbetssubstans, är det nästan omöjligt att direkt realisera utsignalen från lasern med smal linjebredd genom att förlita sig på den traditionella oscillatorn själv. För att realisera driften av laser med smal linjebredd är det vanligtvis nödvändigt att använda filter, gitter och andra enheter för att begränsa eller välja den longitudinella modulen i förstärkningsspektrumet, öka nettoförstärkningsskillnaden mellan de longitudinella moderna, så att det finns en få eller till och med bara en longitudinell modoscillation i laserresonatorn. I denna process är det ofta nödvändigt att kontrollera brusets inverkan på laserutgången och minimera breddningen av spektrallinjer som orsakas av vibrationer och temperaturförändringar i den yttre miljön; Samtidigt kan det också kombineras med analys av fas- eller frekvensbrusspektraldensitet för att förstå bruskällan och optimera laserns design, för att uppnå stabil utmatning av lasern med smal linjebredd.
Låt oss ta en titt på realiseringen av drift med smal linjebredd för flera olika kategorier av lasrar.
Halvledarlasrar har fördelarna med kompakt storlek, hög effektivitet, lång livslängd och ekonomiska fördelar.
Fabry-Perot (FP) optiska resonator som används i traditionellahalvledarlasraroscillerar i allmänhet i multi-longitudinell mod, och utgående linjebredd är relativt bred, så det är nödvändigt att öka den optiska återkopplingen för att erhålla utsignalen med smal linjebredd.
Distribuerad återkoppling (DFB) och Distributed Bragg-reflektion (DBR) är två typiska interna optiska återkopplingshalvledarlasrar. På grund av den lilla gitterstigningen och den goda våglängdsselektiviteten är det lätt att uppnå stabil enkelfrekvens med smal linjebredd. Huvudskillnaden mellan de två strukturerna är gittrets position: DFB-strukturen fördelar vanligtvis den periodiska strukturen hos Bragg-gittret genom resonatorn, och resonatorn hos DBR består vanligtvis av reflektionsgitterstrukturen och förstärkningsområdet integrerat i ändytan. Dessutom använder DFB-lasrar inbäddade gitter med låg brytningsindexkontrast och låg reflektivitet. DBR-lasrar använder ytgitter med hög brytningsindexkontrast och hög reflektivitet. Båda strukturerna har ett stort fritt spektralområde och kan utföra våglängdsinställning utan modhopp inom området några få nanometer, där DBR-lasern har ett bredare avstämningsområde änDFB laser. Dessutom kan den externa kavitets optiska återkopplingsteknik, som använder externa optiska element för att återkoppla det utgående ljuset från halvledarlaserchipset och välja frekvens, också realisera halvledarlaserns smala linjebreddsdrift.
(2) Fiberlasrar
Fiberlasrar har hög pumpomvandlingseffektivitet, bra strålkvalitet och hög kopplingseffektivitet, vilket är de heta forskningsämnena inom laserområdet. I samband med informationsåldern har fiberlasrar god kompatibilitet med nuvarande optiska fiberkommunikationssystem på marknaden. Enfrekvent fiberlaser med fördelarna med smal linjebredd, lågt brus och god koherens har blivit en av de viktiga riktningarna för dess utveckling.
Enkel longitudinell lägesdrift är kärnan i fiberlasern för att uppnå smal linjebreddsutgång, vanligtvis enligt strukturen hos resonatorn för enkelfrekvensfiberlaser kan delas in i DFB-typ, DBR-typ och ringtyp. Bland dem liknar arbetsprincipen för DFB- och DBR-enkelfrekvensfiberlasrar den för DFB- och DBR-halvledarlasrar.
Som visas i figur 1 ska DFB-fiberlaser skriva fördelat Bragg-gitter in i fibern. Eftersom oscillatorns arbetsvåglängd påverkas av fiberperioden, kan den longitudinella moden väljas genom den distribuerade återkopplingen av gittret. Laserresonatorn hos DBR-lasern är vanligtvis bildad av ett par Bragg-fiber-gitter, och det enda longitudinella läget väljs huvudsakligen av Bragg-gitre med smalband och lågreflektivitet. Men på grund av dess långa resonator, komplexa struktur och avsaknad av effektiv frekvensdiskrimineringsmekanism, är ringformad kavitet benägen att modhoppa, och det är svårt att arbeta stabilt i konstant longitudinell mod under lång tid.
Figur 1, Två typiska linjära strukturer med enkel frekvensfiberlasrar
Posttid: 2023-nov-27