Idag ska vi introducera en "monokromatisk" laser till det extrema – smal linjebreddslaser. Dess framväxt fyller luckorna inom många laserapplikationsområden, och har under senare år använts i stor utsträckning inom gravitationsvågsdetektering, lidar, distribuerad avkänning, koherent optisk kommunikation med hög hastighet och andra områden, vilket är ett "uppdrag" som inte kan slutföras enbart genom att förbättra lasereffekten.
Vad är en smal linjebreddslaser?
Termen "linjebredd" hänvisar till laserns spektrala linjebredd i frekvensdomänen, vilken vanligtvis kvantifieras i termer av halvpeak fullbredden av spektrumet (FWHM). Linjebredden påverkas huvudsakligen av spontan strålning från exciterade atomer eller joner, fasbrus, mekanisk vibration från resonatorn, temperaturjitter och andra externa faktorer. Ju mindre värde på linjebredden är, desto högre spektrumrenhet, det vill säga desto bättre monokromaticitet hos lasern. Lasrar med sådana egenskaper har vanligtvis mycket lite fas- eller frekvensbrus och mycket lite relativt intensitetsbrus. Samtidigt, ju mindre linjär breddvärde hos lasern är, desto starkare är motsvarande koherens, vilket manifesteras som en extremt lång koherenslängd.
Realisering och tillämpning av smal linjebreddslaser
Begränsad av den inneboende förstärkningslinjebredden hos laserns arbetssubstans är det nästan omöjligt att direkt realisera utsignalen från den smala linjebreddslasern genom att förlita sig på den traditionella oscillatorn själv. För att realisera funktionen hos en smal linjebreddslaser är det vanligtvis nödvändigt att använda filter, gitter och andra anordningar för att begränsa eller välja den longitudinella modulen i förstärkningsspektrumet, öka nettoförstärkningsskillnaden mellan de longitudinella moderna, så att det finns några 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 orsakad 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 en stabil utsignal från den smala linjebreddslasern.
Låt oss ta en titt på realiseringen av smal linjebreddsdrift för flera olika lasrar.
Halvledarlasrar har fördelarna med kompakt storlek, hög effektivitet, lång livslängd och ekonomiska fördelar.
Fabry-Perot (FP) optisk resonator som används i traditionellahalvledarlasraroscillerar generellt i multilongitudinellt läge, och utgångslinjens bredd är relativt bred, så det är nödvändigt att öka den optiska återkopplingen för att få utgången med smal linjebredd.
Distribuerad återkoppling (DFB) och distribuerad Bragg-reflektion (DBR) är två typiska halvledarlasrar med intern optisk återkoppling. På grund av den lilla gitterhöjden och goda våglängdsselektiviteten är det enkelt att uppnå stabil utsignal med smal linjebredd vid en frekvens. Den huvudsakliga skillnaden mellan de två strukturerna är gittrets position: DFB-strukturen distribuerar vanligtvis Bragg-gittrets periodiska struktur genom hela resonatorn, och DBR:s resonator består vanligtvis av reflektionsgitterstrukturen och förstärkningsområdet integrerat i ändytan. Dessutom använder DFB-lasrar inbäddade gitter med lågt brytningsindexkontrast och låg reflektivitet. DBR-lasrar använder ytgitter med högt brytningsindexkontrast och hög reflektivitet. Båda strukturerna har ett stort fritt spektralområde och kan utföra våglängdsinställning utan modhopp i området några få nanometer, där DBR-lasern har ett bredare inställningsområde än...DFB-laserDessutom kan den externa kavitets-optiska återkopplingstekniken, som använder externa optiska element för att återkoppla det utgående ljuset från halvledarlaserchipet och välja frekvens, också realisera halvledarlaserns smala linjebreddsfunktion.
(2) Fiberlasrar
Fiberlasrar har hög pumpomvandlingseffektivitet, god strålkvalitet och hög kopplingseffektivitet, vilka är heta forskningsämnen inom laserområdet. I samband med informationsåldern har fiberlasrar god kompatibilitet med nuvarande fiberoptiska kommunikationssystem på marknaden. Enfrekvensfiberlasrar med fördelarna smal linjebredd, lågt brus och god koherens har blivit en av de viktiga utvecklingsriktningarna.
Enkelt longitudinellt läge är kärnan i fiberlasrar för att uppnå smal linjebredd, vanligtvis enligt resonatorns struktur kan enfrekvensfiberlasrar delas in i DFB-typ, DBR-typ och ringtyp. Bland dessa är arbetsprincipen för DFB- och DBR-enfrekvensfiberlasrar liknande den för DFB- och DBR-halvledarlasrar.
Som visas i figur 1 skriver DFB-fiberlasern distribuerat Bragg-gitter in i fibern. Eftersom oscillatorns arbetsvåglängd påverkas av fiberperioden kan det longitudinella läget väljas genom gittrets distribuerade återkoppling. Laserresonatorn i en DBR-laser består vanligtvis av ett par fiber-Bragg-gitter, och det enda longitudinella läget väljs huvudsakligen av smalbandiga och lågreflektiva fiber-Bragg-gitter. På grund av dess långa resonator, komplexa struktur och brist på effektiv frekvensdiskrimineringsmekanism är dock den ringformade kaviteten benägen att modhoppa, och det är svårt att arbeta stabilt i konstant longitudinellt läge under en längre tid.
Figur 1, Två typiska linjära strukturer med en frekvensfiberlasrar
Publiceringstid: 27 november 2023