I dag vil vi introdusere en "monokromatisk" laser til den ekstreme laseren med smal linjebredde. Dens fremvekst fyller hullene i mange bruksområder for laser, og har de siste årene blitt mye brukt i gravitasjonsbølgedeteksjon, liDAR, distribuert sensing, høyhastighets koherent optisk kommunikasjon og andre felt, som er et "oppdrag" som ikke kan fullføres kun ved å forbedre laserkraften.
Hva er en laser med smal linjebredde?
Begrepet "linjebredde" refererer til den spektrale linjebredden til laseren i frekvensdomenet, som vanligvis kvantifiseres i form av halvtopps full bredde av spekteret (FWHM). Linjebredden påvirkes hovedsakelig av spontan stråling av eksiterte atomer eller ioner, fasestøy, mekanisk vibrasjon av resonatoren, temperaturjitter og andre eksterne faktorer. Jo mindre verdien av linjebredden er, desto høyere er renheten til spekteret, det vil si, jo bedre monokromaticitet til laseren. Lasere med slike egenskaper har vanligvis svært lite fase- eller frekvensstøy og svært lite relativ intensitetsstøy. Samtidig, jo mindre den lineære breddeverdien til laseren er, desto sterkere er den tilsvarende koherensen, som manifesteres som en ekstremt lang koherenslengde.
Realisering og anvendelse av laser med smal linjebredde
Begrenset av den iboende forsterkningslinjebredden til laserens arbeidssubstans, er det nesten umulig å direkte realisere utgangen til laseren med smal linjebredde ved å stole på selve den tradisjonelle oscillatoren. For å realisere driften av laser med smal linjebredde, er det vanligvis nødvendig å bruke filtre, gitter og andre enheter for å begrense eller velge lengdemodulen i forsterkningsspekteret, øke netto forsterkningsforskjell mellom de langsgående modusene, slik at det er en få eller til og med bare en langsgående modusoscillasjon i laserresonatoren. I denne prosessen er det ofte nødvendig å kontrollere påvirkningen av støy på laserutgangen, og minimere utvidelsen av spektrallinjer forårsaket av vibrasjoner og temperaturendringer i det ytre miljøet; Samtidig kan den også kombineres med analyse av fase- eller frekvensstøyspektraltetthet for å forstå kilden til støy og optimere utformingen av laseren, for å oppnå stabil utgang fra laseren med smal linjebredde.
La oss ta en titt på realiseringen av drift med smal linjebredde for flere forskjellige kategorier av lasere.
Halvlederlasere har fordelene med kompakt størrelse, høy effektivitet, lang levetid og økonomiske fordeler.
Fabry-Perot (FP) optisk resonator brukt i tradisjonellehalvlederlaseresvinger generelt i multi-langsgående modus, og utgangslinjebredden er relativt bred, så det er nødvendig å øke den optiske tilbakemeldingen for å oppnå utgangen med smal linjebredde.
Distribuert tilbakemelding (DFB) og Distribuert Bragg-refleksjon (DBR) er to typiske interne optiske tilbakemeldings-halvlederlasere. På grunn av den lille gitterstigningen og god bølgelengdeselektivitet, er det enkelt å oppnå stabil enkeltfrekvens med smal linjebredde. Hovedforskjellen mellom de to strukturene er posisjonen til gitteret: DFB-strukturen fordeler vanligvis den periodiske strukturen til Bragg-gitteret gjennom resonatoren, og resonatoren til DBR er vanligvis sammensatt av refleksjonsgitterstrukturen og forsterkningsområdet integrert i endeflaten. I tillegg bruker DFB-lasere innebygde gitter med lav brytningsindekskontrast og lav reflektivitet. DBR-lasere bruker overflategitter med høy brytningsindekskontrast og høy reflektivitet. Begge strukturene har et stort fritt spektralområde og kan utføre bølgelengdeinnstilling uten modushopp i området noen få nanometer, der DBR-laseren har et bredere innstillingsområde ennDFB laser. I tillegg kan den eksterne kavitets optiske tilbakemeldingsteknologi, som bruker eksterne optiske elementer for å gi tilbakemelding av det utgående lyset fra halvlederlaserbrikken og velge frekvens, også realisere den smale linjebredden til halvlederlaseren.
(2) Fiberlasere
Fiberlasere har høy pumpekonverteringseffektivitet, god strålekvalitet og høy koblingseffektivitet, som er de hete forskningstemaene på laserfeltet. I sammenheng med informasjonsalderen har fiberlasere god kompatibilitet med dagens optiske fiberkommunikasjonssystemer på markedet. Enfrekvent fiberlaser med fordelene med smal linjebredde, lav støy og god sammenheng har blitt en av de viktige retningene for utviklingen.
Enkel longitudinell modusdrift er kjernen i fiberlaser for å oppnå smal linjebredde utgang, vanligvis i henhold til strukturen til resonatoren til enkeltfrekvensfiberlaser kan deles inn i DFB-type, DBR-type og ringtype. Blant dem er arbeidsprinsippet til DFB- og DBR-enkelfrekvente fiberlasere likt det for DFB- og DBR-halvlederlasere.
Som vist i figur 1 skal DFB fiberlaser skrive distribuert Bragg-gitter inn i fiberen. Fordi arbeidsbølgelengden til oscillatoren påvirkes av fiberperioden, kan den langsgående modusen velges gjennom den distribuerte tilbakemeldingen til gitteret. Laserresonatoren til DBR-laseren er vanligvis dannet av et par fiber Bragg-gitter, og den enkelt langsgående modusen er hovedsakelig valgt av smalbånds- og lavreflekterende fiber-Bragg-gitre. På grunn av sin lange resonator, komplekse struktur og mangel på effektiv frekvensdiskrimineringsmekanisme, er ringformet hulrom utsatt for modushopping, og det er vanskelig å jobbe stabilt i konstant langsgående modus over lang tid.
Figur 1, To typiske lineære strukturer med enkeltfrekvensfiberlasere
Innleggstid: 27. november 2023