Сегодня мы познакомимся с «монохроматическим» лазером, достигшим предела своих возможностей – лазером с узкой линией излучения. Его появление заполняет пробелы во многих областях применения лазеров и в последние годы широко применяется в гравитационном детектировании волн, лидарах, распределенном зондировании, высокоскоростной когерентной оптической связи и других областях, что является «миссией», которую невозможно выполнить только за счет повышения 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 полупиковой шириной спектра (FWHM). На ширину линии в основном влияют спонтанное излучение возбуждённых атомов или ионов, фазовый шум, механические вибрации 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 низкий фазовый или частотный шум и очень низкий относительный шум интенсивности. В то же время, чем меньше значение линейной ширины лазера, тем сильнее соответствующая когерентность, что проявляется в чрезвычайно большой длине когерентности.
Реализация и применение узкополосного лазера
Ограничено 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, увеличить чистую разницу усиления между продольными модами, так что в резонаторе лазера есть несколько или даже только одна продольная мода колебаний. При 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 это также можно совмещать 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 получить стабильный одночастотный выходной сигнал с узкой шириной линии. Основное различие между двумя структурами заключается в расположении решетки: в структуре DFB периодическая структура брэгговской решетки обычно распределена по всему резонатору, а резонатор DBR обычно состоит из отражающей решетки и области усиления, интегрированной в торцевую поверхность. Кроме того, в DFB-лазерах используются встроенные решетки с низким контрастом показателя преломления и низкой отражательной способностью. В DBR-лазерах используются поверхностные решетки с высоким контрастом показателя преломления и высокой отражательной способностью. Обе структуры имеют широкий 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-лазерКроме того, технология оптической обратной связи с внешним резонатором, которая использует внешние оптические элементы для обратной связи по исходящему свету полупроводникового лазерного чипа и выбора частоты, также позволяет реализовать работу полупроводникового лазера с узкой шириной линии.
(2) Волоконные лазеры
Волоконные лазеры обладают высокой эффективностью накачки, хорошим качеством луча и высокой эффективностью связи, что является актуальным направлением исследований в области лазерной техники. В условиях информационной эпохи волоконные лазеры обладают хорошей совместимостью с существующими на рынке системами волоконно-оптической связи. Одночастотный волоконный лазер, обладающий такими преимуществами, как узкая линия излучения, низкий уровень шума и хорошая когерентность, стал одним из важных направлений его развития.
Работа волоконного лазера в режиме одиночной продольной моды является основой для достижения узкой ширины линии излучения. В зависимости от структуры резонатора одночастотные волоконные лазеры обычно подразделяются на лазеры с разностной петлей (DFB), лазеры с разностной петлей (DBR) и кольцевые лазеры. Принцип работы одночастотных волоконных лазеров с разностной петлей (DFB) и разностной петлей (DBR) аналогичен принципу работы полупроводниковых лазеров с разностной петлей (DFB) и разностной петлей (DBR).
Как показано на рисунке 1, волоконный лазер DFB записывает распределённую брэгговскую решётку в волокно. Поскольку рабочая длина волны генератора зависит от периода волокна, продольная мода может быть выбрана посредством распределённой обратной связи решетки. Резонатор лазера DBR обычно образован парой волоконных брэгговских решёток, а единственная продольная мода в основном выбирается узкополосными волоконными брэгговскими решётками с низким коэффициентом отражения. Однако из-за длинного резонатора, сложной структуры и отсутствия эффективного механизма частотной дискриминации кольцевой резонатор склонен к скачкообразному изменению мод, и его трудно поддерживать в стабильном состоянии в течение длительного времени.
Рисунок 1. Две типичные линейные структуры одной частотыволоконные лазеры
Время публикации: 27 ноября 2023 г.