Avui introduirem un làser "monocromàtic" extrem: un làser d'amplada de línia estreta. La seva aparició omple els buits en molts camps d'aplicació del làser i, en els darrers anys, s'ha utilitzat àmpliament en la detecció d'ones gravitacionals, liDAR, detecció distribuïda, comunicació òptica coherent d'alta velocitat i altres camps, una "missió" que no es pot completar només millorant la potència del làser.
Què és un làser d'amplada de línia estreta?
El terme "amplada de línia" fa referència a l'amplada de línia espectral del làser en el domini de freqüència, que normalment es quantifica en termes de l'amplada completa de mig pic de l'espectre (FWHM). L'amplada de línia es veu afectada principalment per la radiació espontània d'àtoms o ions excitats, el soroll de fase, la vibració mecànica del ressonador, la fluctuació de temperatura i altres factors externs. Com més petit sigui el valor de l'amplada de línia, més alta serà la puresa de l'espectre, és a dir, millor serà la monocromaticitat del làser. Els làsers amb aquestes característiques solen tenir molt poc soroll de fase o freqüència i molt poc soroll d'intensitat relativa. Al mateix temps, com més petit sigui el valor de l'amplada lineal del làser, més forta serà la coherència corresponent, que es manifesta com una longitud de coherència extremadament llarga.
Realització i aplicació del làser d'amplada de línia estreta
Limitat per l'amplada de línia de guany inherent de la substància de treball del làser, és gairebé impossible obtenir directament la sortida del làser d'amplada de línia estreta confiant en el propi oscil·lador tradicional. Per aconseguir el funcionament del làser d'amplada de línia estreta, normalment cal utilitzar filtres, reixes i altres dispositius per limitar o seleccionar el mòdul longitudinal a l'espectre de guany, augmentar la diferència de guany net entre els modes longitudinals, de manera que hi hagi unes poques o fins i tot només una oscil·lació de mode longitudinal al ressonador làser. En aquest procés, sovint cal controlar la influència del soroll a la sortida del làser i minimitzar l'eixamplament de les línies espectrals causat per la vibració i els canvis de temperatura de l'entorn extern; Al mateix temps, també es pot combinar amb l'anàlisi de la densitat espectral de soroll de fase o freqüència per comprendre la font de soroll i optimitzar el disseny del làser, per tal d'aconseguir una sortida estable del làser d'amplada de línia estreta.
Fem una ullada a la realització del funcionament d'amplada de línia estreta de diverses categories diferents de làsers.
Els làsers semiconductors tenen els avantatges de la mida compacta, l'alta eficiència, la llarga vida útil i els beneficis econòmics.
El ressonador òptic Fabry-Perot (FP) utilitzat en els tradicionalslàsers semiconductorsgeneralment oscil·la en mode multilongitudinal i l'amplada de la línia de sortida és relativament ampla, per la qual cosa cal augmentar la retroalimentació òptica per obtenir la sortida d'amplada de línia estreta.
La retroalimentació distribuïda (DFB) i la reflexió de Bragg distribuïda (DBR) són dos làsers semiconductors de retroalimentació òptica interna típics. A causa del petit pas de la reixeta i la bona selectivitat de longitud d'ona, és fàcil aconseguir una sortida estable d'amplada de línia estreta d'una sola freqüència. La principal diferència entre les dues estructures és la posició de la reixeta: l'estructura DFB normalment distribueix l'estructura periòdica de la reixeta de Bragg per tot el ressonador, i el ressonador del DBR normalment està compost per l'estructura de la reixeta de reflexió i la regió de guany integrada a la superfície final. A més, els làsers DFB utilitzen reixetes incrustades amb un contrast d'índex de refracció baix i baixa reflectivitat. Els làsers DBR utilitzen reixetes superficials amb un contrast d'índex de refracció alt i alta reflectivitat. Ambdues estructures tenen un ampli rang espectral lliure i poden realitzar un ajustament de longitud d'ona sense salt de mode en el rang d'uns pocs nanòmetres, on el làser DBR té un rang d'ajustament més ampli que elLàser DFBA més, la tecnologia de retroalimentació òptica de cavitat externa, que utilitza elements òptics externs per retroalimentar la llum sortint del xip làser semiconductor i seleccionar la freqüència, també pot aconseguir el funcionament d'amplada de línia estreta del làser semiconductor.
(2) Làsers de fibra
Els làsers de fibra tenen una alta eficiència de conversió de bombament, una bona qualitat de feix i una alta eficiència d'acoblament, que són els temes de recerca candents en el camp del làser. En el context de l'era de la informació, els làsers de fibra tenen una bona compatibilitat amb els sistemes de comunicació per fibra òptica actuals del mercat. El làser de fibra de freqüència única amb els avantatges de l'amplada de línia estreta, el baix soroll i la bona coherència s'ha convertit en una de les direccions importants del seu desenvolupament.
El funcionament en mode longitudinal únic és el nucli del làser de fibra per aconseguir una sortida d'amplada de línia estreta, generalment segons l'estructura del ressonador del làser de fibra de freqüència única es pot dividir en tipus DFB, tipus DBR i tipus d'anell. Entre ells, el principi de funcionament dels làsers de fibra de freqüència única DFB i DBR és similar al dels làsers semiconductors DFB i DBR.
Com es mostra a la Figura 1, el làser de fibra DFB ha d'escriure una xarxa de Bragg distribuïda a la fibra. Com que la longitud d'ona de treball de l'oscil·lador es veu afectada pel període de la fibra, el mode longitudinal es pot seleccionar mitjançant la retroalimentació distribuïda de la xarxa. El ressonador làser del làser DBR sol estar format per un parell de xarxes de Bragg de fibra, i el mode longitudinal únic es selecciona principalment mitjançant xarxes de Bragg de fibra de banda estreta i baixa reflectivitat. Tanmateix, a causa del seu ressonador llarg, estructura complexa i manca d'un mecanisme eficaç de discriminació de freqüència, la cavitat en forma d'anell és propensa al salt de mode i és difícil treballar de manera estable en mode longitudinal constant durant molt de temps.
Figura 1, Dues estructures lineals típiques de freqüència únicalàsers de fibra
Data de publicació: 27 de novembre de 2023