Сегодня мы представим «монохроматический» лазер, относящийся к категории лазеров с чрезвычайно узкой шириной линии излучения. Его появление заполняет пробелы во многих областях применения лазеров и в последние годы широко используется в обнаружении гравитационных 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 излучения?
Термин «ширина линии» относится к спектральной ширине линии лазера в частотной области, которая обычно выражается в терминах полной ширины спектра на половине пика (FWHM). На ширину линии в основном влияют спонтанное излучение возбужденных атомов или ионов, фазовый шум, механические колебания резонатора, температурные колебания 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 уровень фазового или частотного шума и очень низкий уровень относительного шума интенсивности. В то же время, чем меньше значение линейной ширины лазера, тем сильнее соответствующая когерентность, которая проявляется в чрезвычайно большой длине когерентности.
Создание и применение лазера с узкой шириной линии излучения.
Ограниченная присущей рабочему веществу лазера шириной линии усиления, прямая реализация лазера с узкой шириной линии усиления с помощью традиционного генератора практически невозможна. Для реализации работы лазера с узкой шириной линии усиления обычно необходимо использовать фильтры, дифракционные решетки и другие устройства для ограничения или выбора продольного модуля в спектре усиления, увеличения чистой разницы усиления между продольными модами, так что в лазерном резонаторе наблюдается лишь несколько или даже только одна колебательная мода продольного типа. В этом процессе часто необходимо контролировать влияние шума на выходной сигнал лазера и минимизировать расширение спектральных линий, вызванное вибрацией и изменениями температуры внешней среды; одновременно можно также использовать анализ спектральной плотности фазового или частотного шума для понимания источника шума и оптимизации конструкции лазера, чтобы добиться стабильного выходного сигнала лазера с узкой шириной линии усиления.
Рассмотрим реализацию работы с узкой шириной линии излучения у нескольких различных категорий лазеров.
Полупроводниковые лазеры обладают такими преимуществами, как компактные размеры, высокая эффективность, длительный срок службы и экономическая выгода.
Оптический резонатор Фабри-Перо (ФП), используемый в традиционныхполупроводниковые лазерыКак правило, генератор работает в многопродольном режиме, и ширина выходной линии относительно велика, поэтому для получения выходного сигнала с узкой шириной линии необходимо увеличить оптическую обратную связь.
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 структуры отражательной решетки и области усиления, интегрированной в торцевую поверхность. Кроме того, в лазерах DFB используются встроенные решетки с низким контрастом показателя преломления и низкой отражательной способностью. В лазерах DBR используются поверхностные решетки с высоким контрастом показателя преломления и высокой отражательной способностью. Обе структуры имеют большой свободный спектральный диапазон и позволяют осуществлять перестройку длины волны без скачков моды в диапазоне нескольких нанометров, при этом лазер DBR имеет более широкий диапазон перестройки, чем лазер DBR.DFB-лазерКроме того, технология оптической обратной связи с внешним резонатором, использующая внешние оптические элементы для обратной связи с исходящим светом полупроводникового лазерного чипа и выбора частоты, также позволяет реализовать работу полупроводникового лазера с узкой шириной линии излучения.
(2) Волоконные лазеры
Волоконные лазеры обладают высокой эффективностью преобразования накачки, хорошим качеством пучка и высокой эффективностью связи, что делает их актуальными направлениями исследований в области лазерных технологий. В контексте информационной эпохи волоконные лазеры хорошо совместимы с существующими на рынке системами оптической волоконной связи. Одночастотные волоконные лазеры, обладающие преимуществами узкой ширины линии, низкого уровня шума и хорошей когерентности, стали одним из важных направлений их развития.
Работа в одномодовом режиме является основой волоконных лазеров, позволяющих получить узкую ширину линии излучения. Обычно, в зависимости от структуры резонатора, одночастотные волоконные лазеры делятся на типы DFB, DBR и кольцевые. Принцип работы одночастотных волоконных лазеров DFB и DBR аналогичен принципу работы полупроводниковых лазеров DFB и DBR.
Как показано на рисунке 1, в волоконном лазере с распределенной обратной связью (DFB) в волокно записывается распределенная брэгговская решетка. Поскольку рабочая длина волны генератора зависит от периода волокна, продольная мода может быть выбрана посредством распределенной обратной связи решетки. Резонатор лазера DBR обычно формируется парой волоконных брэгговских решеток, и единственная продольная мода в основном выбирается с помощью узкополосных волоконных брэгговских решеток с низкой отражательной способностью. Однако из-за длинного резонатора, сложной структуры и отсутствия эффективного механизма частотной дискриминации кольцевой резонатор склонен к скачкообразному изменению мод, и трудно обеспечить стабильную работу в постоянном продольном режиме в течение длительного времени.
Рисунок 1. Две типичные линейные структуры на одной частоте.волоконные лазеры
Дата публикации: 27 ноября 2023 г.