Сегодня мы представим экстремальный «монохроматический» лазер — лазер с узкой шириной линии. Его появление заполняет пробелы во многих областях применения лазера, и в последние годы он широко используется в обнаружении гравитационных волн, лидарах, распределенном зондировании, высокоскоростной когерентной оптической связи и других областях, что является «миссией», которую невозможно выполнить. завершено только за счет улучшения мощности лазера.
Что такое лазер с узкой шириной линии?
Термин «ширина линии» относится к ширине спектральной линии лазера в частотной области, которая обычно выражается количественно через полупиковую полную ширину спектра (FWHM). На ширину линии в основном влияют спонтанное излучение возбужденных атомов или ионов, фазовый шум, механическая вибрация резонатора, температурный джиттер и другие внешние факторы. Чем меньше значение ширины линии, тем выше чистота спектра, т. е. тем лучше монохроматичность лазера. Лазеры с такими характеристиками обычно имеют очень небольшой фазовый или частотный шум и очень небольшой шум относительной интенсивности. При этом чем меньше значение линейной ширины лазера, тем сильнее соответствующая когерентность, которая проявляется в чрезвычайно большой длине когерентности.
Реализация и применение лазера с узкой шириной линии.
Ограниченная шириной линии усиления рабочего вещества лазера, практически невозможно напрямую реализовать выходную мощность лазера с узкой шириной линии, полагаясь на сам традиционный генератор. Чтобы реализовать работу лазера с узкой шириной линии, обычно необходимо использовать фильтры, решетки и другие устройства для ограничения или выбора продольного модуля в спектре усиления, увеличения чистой разницы усиления между продольными модами, чтобы существовала несколько или даже одну продольную моду колебаний в резонаторе лазера. В этом процессе часто необходимо контролировать влияние шума на выходную мощность лазера и минимизировать уширение спектральных линий, вызванное вибрацией и изменениями температуры внешней среды; В то же время его также можно комбинировать с анализом спектральной плотности фазового или частотного шума, чтобы понять источник шума и оптимизировать конструкцию лазера, чтобы добиться стабильного выхода лазера с узкой шириной линии.
Давайте посмотрим на реализацию работы с узкой шириной линии в нескольких различных категориях лазеров.
Полупроводниковые лазеры обладают преимуществами компактного размера, высокой эффективности, длительного срока службы и экономической выгоды.
Оптический резонатор Фабри-Перо (FP), используемый в традиционныхполупроводниковые лазерыобычно колеблется в многопродольном режиме, а ширина выходной линии относительно широка, поэтому необходимо увеличить оптическую обратную связь, чтобы получить выходную линию с узкой шириной линии.
Распределенная обратная связь (DFB) и распределенное брэгговское отражение (DBR) — это два типичных полупроводниковых лазера с внутренней оптической обратной связью. Благодаря небольшому шагу решетки и хорошей избирательности по длине волны легко добиться стабильного одночастотного выходного сигнала с узкой шириной линии. Основное различие между двумя структурами заключается в положении решетки: структура DFB обычно распределяет периодическую структуру брэгговской решетки по всему резонатору, а резонатор DBR обычно состоит из структуры отражательной решетки и области усиления, интегрированной в торцевая поверхность. Кроме того, в DFB-лазерах используются встроенные решетки с низким контрастом показателя преломления и низкой отражательной способностью. В лазерах DBR используются поверхностные решетки с высоким контрастом показателей преломления и высокой отражательной способностью. Обе структуры имеют большой свободный спектральный диапазон и могут осуществлять перестройку длины волны без скачка моды в диапазоне нескольких нанометров, где DBR-лазер имеет более широкий диапазон перестройки, чемDFB-лазер. Кроме того, технология оптической обратной связи с внешним резонатором, которая использует внешние оптические элементы для обратной связи исходящего света полупроводникового лазерного чипа и выбора частоты, также может реализовать работу полупроводникового лазера с узкой шириной линии.
(2) Волоконные лазеры
Волоконные лазеры обладают высокой эффективностью преобразования накачки, хорошим качеством луча и высокой эффективностью связи, что является актуальной темой исследований в области лазеров. В условиях информационного века волоконные лазеры хорошо совместимы с существующими на рынке волоконно-оптическими системами связи. Одночастотный волоконный лазер с преимуществами узкой ширины линии, низким уровнем шума и хорошей когерентностью стал одним из важных направлений его развития.
Работа в одном продольном режиме является основой волоконного лазера для достижения узкой ширины линии. Обычно в соответствии со структурой резонатора одночастотный волоконный лазер можно разделить на тип DFB, тип DBR и кольцевой тип. Среди них принцип работы одночастотных волоконных лазеров DFB и DBR аналогичен принципу работы полупроводниковых лазеров DFB и DBR.
Как показано на рисунке 1, волоконный DFB-лазер записывает в волокно распределенную брэгговскую решетку. Поскольку на рабочую длину волны генератора влияет период волокна, продольную моду можно выбрать с помощью распределенной обратной связи решетки. Лазерный резонатор DBR-лазера обычно состоит из пары волоконных брэгговских решеток, а одна продольная мода в основном выбирается узкополосными волоконными брэгговскими решетками с низкой отражательной способностью. Однако из-за длинного резонатора, сложной конструкции и отсутствия эффективного механизма частотной дискриминации кольцеобразный резонатор склонен к скачкам мод, и ему трудно стабильно работать в постоянном продольном режиме в течение длительного времени.
Рисунок 1. Две типичные линейные структуры с одной частотой.волоконные лазеры
Время публикации: 27 ноября 2023 г.