Сегодня мы познакомим вас с «монохроматическим» лазером до предела – лазером 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», которая не может быть выполнена только путем улучшения мощности лазера.
Что такое лазер с узкой шириной линии?
Термин «ширина линии» относится к ширине спектральной линии лазера в частотной области, которая обычно количественно определяется в терминах полупиковой полной ширины 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, то есть тем лучше монохроматичность лазера. Лазеры с такими характеристиками обычно имеют очень малый фазовый или частотный шум и очень малый относительный шум интенсивности. В то же время, чем меньше значение линейной ширины лазера, тем сильнее соответствующая когерентность, которая проявляется как чрезвычайно большая длина когерентности.
Реализация и применение узкополосного лазера
Ограниченный собственной шириной линии усиления рабочего вещества лазера, практически невозможно напрямую реализовать выход узколинейного лазера, полагаясь на сам традиционный генератор. Для того чтобы реализовать работу узколинейного лазера, обычно необходимо использовать фильтры, решетки и другие устройства для ограничения или выбора продольного модуля в спектре усиления, увеличения чистой разницы усиления между продольными модами, так что в резонаторе лазера есть несколько или даже только одно продольное колебание моды. В этом процессе часто необходимо контролировать влияние шума на выход лазера и минимизировать уширение спектральных линий, вызванное вибрацией и изменениями температуры внешней среды; В то же время его также можно объединить с анализом спектральной плотности фазового или частотного шума, чтобы понять источник шума и оптимизировать конструкцию лазера, чтобы добиться стабильного выхода узколинейного лазера.
Давайте рассмотрим реализацию работы с узкой шириной линии нескольких различных категорий лазеров.
Полупроводниковые лазеры обладают такими преимуществами, как компактность, высокая эффективность, длительный срок службы и экономичность.
Оптический резонатор Фабри-Перо (ФП), используемый в традиционныхполупроводниковые лазерыобычно колеблется в многопродольной моде, а ширина выходной линии относительно широкая, поэтому необходимо увеличить оптическую обратную связь, чтобы получить выход с узкой шириной линии.
Распределенная обратная связь (DFB) и распределенное брэгговское отражение (DBR) — два типичных полупроводниковых лазера с внутренней оптической обратной связью. Благодаря малому шагу решетки и хорошей селективности по длине волны легко добиться стабильного одночастотного узкого выходного сигнала. 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 торцевую поверхность. Кроме того, лазеры DFB используют встроенные решетки с низким контрастом показателя преломления и низкой отражательной способностью. Лазеры DBR используют поверхностные решетки с высоким контрастом показателя преломления и высокой отражательной способностью. Обе структуры имеют большой свободный спектральный диапазон и могут выполнять настройку длины волны без скачка моды в диапазоне нескольких нанометров, где лазер DBR имеет более широкий диапазон настройки, чемDFB-лазер. Кроме того, технология оптической обратной связи с внешним резонатором, которая использует внешние оптические элементы для обратной связи исходящего света чипа полупроводникового лазера и выбора частоты, также может реализовать работу полупроводникового лазера с узкой шириной линии.
(2) Волоконные лазеры
Волоконные лазеры имеют высокую эффективность преобразования накачки, хорошее качество луча и высокую эффективность связи, которые являются горячими темами исследований в области лазеров. В контексте информационного века волоконные лазеры имеют хорошую совместимость с текущими на рынке системами оптоволоконной связи. Одночастотный волоконный лазер с преимуществами узкой ширины линии, низкого шума и хорошей когерентности стал одним из важных направлений его развития.
Работа с одной продольной модой является основой волоконного лазера для достижения узкой ширины выходной 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 лазер DFB предназначен для записи распределенной брэгговской решетки в волокно. Поскольку рабочая длина волны осциллятора зависит от периода волокна, продольная мода может быть выбрана посредством распределенной обратной связи решетки. Лазерный резонатор лазера DBR обычно образован парой волоконных брэгговских решеток, а единственная продольная мода в основном выбирается узкополосными и низкоотражательными волоконными брэгговскими решетками. Однако из-за своего длинного резонатора, сложной структуры и отсутствия эффективного механизма дискриминации частот кольцевой резонатор склонен к скачкам мод, и ему трудно стабильно работать в постоянном продольном режиме в течение длительного времени.
Рисунок 1. Две типичные линейные структуры одной частоты.волоконные лазеры
Время публикации: 27 ноября 2023 г.