Tänään esittelemme äärimmäisen "monokromaattisen" laserin – kapean viivanleveyden omaavan laserin. Sen tulo täyttää aukot monilla laserien sovellusalueilla, ja viime vuosina sitä on käytetty laajalti gravitaatioaaltojen havaitsemisessa, liDARissa, hajautetussa tunnistuksessa, nopeassa koherentissa optisessa viestinnässä ja muilla aloilla, mikä on "tehtävä", jota ei voida suorittaa pelkästään parantamalla laserin tehoa.
Mikä on kapealinjainen laser?
Termi "viivanleveys" viittaa laserin spektriviivan leveyteen taajuusalueella, joka yleensä kvantifioidaan spektrin puolihuipun täytenä leveytenä (FWHM). Viivanleveyteen vaikuttavat pääasiassa virittyneiden atomien tai ionien spontaani säteily, vaihekohina, resonaattorin mekaaninen värähtely, lämpötilan vaihtelu ja muut ulkoiset tekijät. Mitä pienempi viivanleveyden arvo on, sitä korkeampi on spektrin puhtaus eli sitä parempi on laserin monokromaattinen ominaisuus. Tällaisilla ominaisuuksilla varustetuilla lasereilla on yleensä hyvin vähän vaihe- tai taajuuskohinaa ja hyvin vähän suhteellista intensiteettikohinaa. Samalla, mitä pienempi laserin lineaarisen leveyden arvo on, sitä vahvempi on vastaava koherenssi, joka ilmenee erittäin pitkänä koherenssipituutena.
Kapean viivanleveyden laserin toteutus ja soveltaminen
Laserin työaineen luontaisen vahvistusviivanleveyden rajoittamana on lähes mahdotonta toteuttaa suoraan kapean viivanleveyden laserin lähtöä perinteisen oskillaattorin avulla. Kapean viivanleveyden laserin toiminnan toteuttamiseksi on yleensä tarpeen käyttää suodattimia, hilaa ja muita laitteita vahvistusspektrin pituussuuntaisen moduulin rajoittamiseksi tai valitsemiseksi, pitkittäismoodien välisen nettovahvistuksen eron lisäämiseksi siten, että laserresonaattorissa on vain muutama tai vain yksi pitkittäismoodivärähtely. Tässä prosessissa on usein tarpeen hallita kohinan vaikutusta laserin lähtöön ja minimoida ulkoisen ympäristön värähtelyn ja lämpötilan muutosten aiheuttama spektriviivojen leveneminen. Samalla se voidaan yhdistää myös vaihe- tai taajuuskohinan spektritiheyden analysointiin kohinan lähteen ymmärtämiseksi ja laserin suunnittelun optimoimiseksi kapean viivanleveyden laserin vakaan lähtötehon saavuttamiseksi.
Tarkastellaan useiden eri lasereiden kapean viivanleveyden toiminnan toteutusta.
Puolijohdelasereiden etuna on kompakti koko, korkea hyötysuhde, pitkä käyttöikä ja taloudelliset hyödyt.
Perinteisessä tekniikassa käytetty Fabry-Perot (FP) -optinen resonaattoripuolijohdelaserityleensä värähtelee monipitkittäisessä tilassa ja lähtöviivan leveys on suhteellisen leveä, joten optista takaisinkytkentää on tarpeen lisätä kapean linjan leveyden tuottamiseksi.
Hajautettu takaisinkytkentä (DFB) ja hajautettu Bragg-heijastus (DBR) ovat kaksi tyypillistä sisäistä optista takaisinkytkentäpuolijohdelaseria. Pienen hilavälin ja hyvän aallonpituuden selektiivisyyden ansiosta on helppo saavuttaa vakaa yksitaajuinen kapea viivanleveyslähtö. Näiden kahden rakenteen tärkein ero on hilan sijainti: DFB-rakenteessa Bragg-hilan jaksollinen rakenne jakautuu yleensä koko resonaattoriin, ja DBR:n resonaattori koostuu yleensä heijastushilarakenteesta ja päätypintaan integroidusta vahvistusalueesta. Lisäksi DFB-laserit käyttävät upotettuja hiloja, joilla on alhainen taitekertoimen kontrasti ja alhainen heijastavuus. DBR-laserit käyttävät pintahiloja, joilla on korkea taitekertoimen kontrasti ja korkea heijastavuus. Molemmilla rakenteilla on laaja vapaa spektrialue ja ne voivat suorittaa aallonpituuden viritystä ilman moodihyppyä muutaman nanometrin alueella, jossa DBR-laserilla on laajempi viritysalue kuin...DFB-laserLisäksi ulkoisen ontelon optinen takaisinkytkentätekniikka, joka käyttää ulkoisia optisia elementtejä puolijohdelaserisirun lähtevän valon takaisinkytkentään ja taajuuden valintaan, voi myös toteuttaa puolijohdelaserin kapean viivanleveyden toiminnan.
(2) Kuitulaserit
Kuitulasereilla on korkea pumpun muunnoshyötysuhde, hyvä säteen laatu ja korkea kytkentähyötysuhde, jotka ovat laseralan kuumia tutkimusaiheita. Tietoyhteiskunnassa kuitulasereilla on hyvä yhteensopivuus markkinoilla olevien nykyisten optisten kuitutietoliikennejärjestelmien kanssa. Yksitaajuinen kuitulaseri, jonka etuja ovat kapea viivanleveys, alhainen kohina ja hyvä koherenssi, on tullut yhdeksi sen tärkeimmistä kehityssuunnista.
Kuitulaserin ydin on yksi pitkittäismooditoiminta, jolla saavutetaan kapea viivanleveys. Yksitaajuinen kuitulaserin resonaattorin rakenteen mukaan se voidaan jakaa DFB-, DBR- ja rengasmalleihin. DFB- ja DBR-yksitaajuisten kuitulaserien toimintaperiaate on samanlainen kuin DFB- ja DBR-puolijohdelasereiden.
Kuten kuvassa 1 on esitetty, DFB-kuitulaserilla kirjoitetaan hajautettu Bragg-hila kuituun. Koska kuidun jakso vaikuttaa oskillaattorin työaallonpituuteen, pitkittäismoodi voidaan valita hilan hajautetun takaisinkytkennän avulla. DBR-laserin laserresonaattori muodostuu yleensä kahdesta kuitu-Bragg-hilasta, ja yksittäinen pitkittäismoodi valitaan pääasiassa kapeakaistaisista ja matalan heijastavuuden kuitu-Bragg-hiloista. Pitkän resonaattorinsa, monimutkaisen rakenteensa ja tehokkaan taajuuserottelumekanismin puutteen vuoksi rengasmainen ontelo on kuitenkin altis moodihyppelylle, ja on vaikea työskennellä vakaasti vakiossa pitkittäismoodissa pitkään.
Kuva 1, Kaksi tyypillistä yhden taajuuden lineaarista rakennettakuitulaserit
Julkaisuaika: 27.11.2023