Tänään esittelemme "monokromaattisen" laserin äärimmäiseen - kapeaan viivanleveyteen laseriin. Sen ilmaantuminen täyttää aukot monilla laserin sovellusalueilla, ja viime vuosina sitä on käytetty laajalti gravitaatioaaltojen havaitsemisessa, liDAR:ssa, hajautetussa sensorissa, nopeassa koherentissa optisessa viestinnässä ja muilla aloilla, mikä on "tehtävä", jota ei voida vain parantamalla lasertehoa.
Mikä on kapea viivanleveyslaser?
Termi "viivan leveys" viittaa laserin spektriviivan leveyteen taajuusalueella, joka yleensä kvantifioidaan spektrin puolihuipun täysleveyteen (FWHM). Viivanleveyteen vaikuttavat pääasiassa virittyneiden atomien tai ionien spontaani säteily, vaihekohina, resonaattorin mekaaninen värähtely, lämpötilavärinä ja muut ulkoiset tekijät. Mitä pienempi viivanleveyden arvo on, sitä korkeampi spektrin puhtaus on, eli sitä parempi on laserin yksivärisyys. Tällaisia ominaisuuksia omaavissa lasereissa on yleensä hyvin vähän vaihe- tai taajuuskohinaa ja hyvin vähän suhteellista intensiteettikohinaa. Samalla mitä pienempi laserin lineaarinen leveysarvo on, sitä vahvempi on vastaava koherenssi, joka ilmenee äärimmäisen pitkänä koherenssipituutena.
Kapean viivanleveyden laserin toteutus ja käyttö
Laserin työaineen luontaisen vahvistusviivanleveyden rajoittamana on lähes mahdotonta toteuttaa suoraan kapeaviivaisen laserin lähtöä luottamalla itse perinteiseen oskillaattoriin. Kapean viivaleveyden laserin toiminnan toteuttamiseksi on yleensä tarpeen käyttää suodattimia, hilaa ja muita laitteita, joilla rajoitetaan tai valitaan pitkittäismoduuli vahvistusspektrissä, lisätään nettovahvistuseroa pitkittäismuotojen välillä, jotta saadaan laserresonaattorissa on vähän tai jopa vain yksi pitkittäismuotovärähtely. Tässä prosessissa on usein tarpeen hallita kohinan vaikutusta laserin ulostuloon ja minimoida ulkoisen ympäristön värähtelyn ja lämpötilan muutosten aiheuttama spektrilinjojen leveneminen; Samanaikaisesti se voidaan myös yhdistää vaihe- tai taajuuskohinan spektritiheyden analysointiin kohinan lähteen ymmärtämiseksi ja laserin suunnittelun optimoimiseksi, jotta saavutetaan kapean viivaleveyden laserin vakaa tulos.
Katsotaanpa useiden eri laserluokkien kapean viivanleveyden toiminnan toteutumista.
Puolijohdelasereilla on pieni koko, korkea hyötysuhde, pitkä käyttöikä ja taloudelliset edut.
Fabry-Perot (FP) optinen resonaattori, jota käytetään perinteisessäpuolijohdelaseritvärähtelee yleensä monipitkittäisessä tilassa, ja lähtölinjan leveys on suhteellisen leveä, joten optista takaisinkytkentää on lisättävä kapean viivanleveyden tuottamiseksi.
Hajautettu palaute (DFB) ja Distributed Bragg -heijastus (DBR) ovat kaksi tyypillistä sisäistä optista palautetta sisältävää puolijohdelaseria. Pienen hilavälin ja hyvän aallonpituusselektiivisyyden ansiosta on helppo saavuttaa vakaa yksitaajuinen kapea viivaleveyslähtö. Suurin ero näiden kahden rakenteen välillä on hilan asento: DFB-rakenne yleensä jakaa Bragg-hilan jaksollisen rakenteen resonaattoriin, ja DBR:n resonaattori koostuu yleensä heijastushilarakenteesta ja vahvistusalueesta, joka on integroitu päätypinta. Lisäksi DFB-laserit käyttävät upotettuja ritilöitä, joilla on alhainen taitekerroinkontrasti ja alhainen heijastavuus. DBR-laserit käyttävät pintahileitä, joilla on korkea taitekerroinkontrasti ja korkea heijastavuus. Molemmilla rakenteilla on suuri vapaa spektrialue ja ne voivat suorittaa aallonpituuden virityksen ilman moodihyppyä muutaman nanometrin alueella, missä DBR-laserin viritysalue on laajempi kuinDFB laser. Lisäksi ulkoisen onkalon optinen takaisinkytkentätekniikka, joka käyttää ulkoisia optisia elementtejä puolijohdelaser-sirun lähtevän valon palauttamiseen ja taajuuden valitsemiseen, voi myös toteuttaa puolijohdelaserin kapean viivanleveyden toiminnan.
(2) Kuitulaserit
Kuitulasereilla on korkea pumpun muunnostehokkuus, hyvä säteen laatu ja korkea kytkentätehokkuus, jotka ovat laseralan kuumia tutkimusaiheita. Tietojen aikakaudella kuitulaserit ovat hyvin yhteensopivia markkinoilla olevien valokuituviestintäjärjestelmien kanssa. Yksitaajuisesta kuitulaserista, jonka etuna on kapea viivanleveys, pieni melu ja hyvä koherenssi, on tullut yksi sen tärkeimmistä kehityssuunnista.
Yhden pitkittäistilan toiminta on kuitulaserin ydin kapeaan viivanleveyden tuottamiseksi, yleensä yksitaajuisen kuitulaserin resonaattorin rakenteen mukaan voidaan jakaa DFB-tyyppiin, DBR-tyyppiin ja rengastyyppiin. Niistä yksitaajuisten DFB- ja DBR-kuitulaserien toimintaperiaate on samanlainen kuin DFB- ja DBR-puolijohdelasereiden.
Kuten kuvasta 1 näkyy, DFB-kuitulaserilla on tarkoitus kirjoittaa kuituun hajautettua Bragg-hilaa. Koska kuitujakso vaikuttaa oskillaattorin toiminta-aallonpituuteen, pitkittäismuoto voidaan valita hilan hajautetun takaisinkytkennän avulla. DBR-laserin laserresonaattori muodostuu yleensä kuitu-Bragg-hileistä, ja yksi pitkittäismuoto valitaan pääasiassa kapeakaistaisilla ja matalan heijastavuuden kuitujen Bragg-hiloilla. Pitkän resonaattorin, monimutkaisen rakenteensa ja tehokkaan taajuuden erottelumekanismin puutteen vuoksi renkaan muotoinen onkalo on kuitenkin altis moodihyppelylle, ja sen on vaikea työskennellä vakaasti jatkuvassa pitkittäismoodissa pitkään.
Kuva 1, Kaksi tyypillistä yhden taajuuden lineaarista rakennettakuitulaserit
Postitusaika: 27.11.2023