Vandaag introduceren we een extreem "monochromatische" laser: een laser met een zeer smalle lijnbreedte. De opkomst ervan vult een leemte in veel toepassingsgebieden van lasers en wordt de laatste jaren veelvuldig gebruikt in de detectie van zwaartekrachtgolven, LiDAR, gedistribueerde sensoren, snelle coherente optische communicatie en andere gebieden. Dit is een "missie" die niet alleen kan worden volbracht door het laservermogen te verhogen.
Wat is een laser met een smalle lijnbreedte?
De term 'lijnbreedte' verwijst naar de spectrale lijnbreedte van de laser in het frequentiedomein, die doorgaans wordt gekwantificeerd in termen van de halfpiek-volledige breedte van het spectrum (FWHM). De lijnbreedte wordt voornamelijk beïnvloed door de spontane straling van aangeslagen atomen of ionen, faseruis, mechanische trillingen van de resonator, temperatuurschommelingen en andere externe factoren. Hoe kleiner de lijnbreedte, hoe hoger de zuiverheid van het spectrum, oftewel hoe beter de monochromaticiteit van de laser. Lasers met dergelijke eigenschappen hebben doorgaans zeer weinig fase- of frequentieruis en zeer weinig relatieve intensiteitsruis. Tegelijkertijd geldt dat hoe kleiner de lijnbreedte van de laser, hoe sterker de corresponderende coherentie, wat zich manifesteert als een extreem lange coherentielengte.
Realisatie en toepassing van een laser met smalle lijnbreedte
Beperkt door de inherente versterkingslijnbreedte van de werkzame stof van de laser, is het vrijwel onmogelijk om de output van een laser met smalle lijnbreedte direct te realiseren door te vertrouwen op de traditionele oscillator zelf. Om de werking van een laser met smalle lijnbreedte te realiseren, is het meestal nodig om filters, roosters en andere apparaten te gebruiken om de longitudinale modulus in het versterkingsspectrum te beperken of te selecteren, en het netto versterkingsverschil tussen de longitudinale modi te vergroten, zodat er slechts enkele of zelfs maar één longitudinale modus in de laserresonator oscilleert. Tijdens dit proces is het vaak nodig om de invloed van ruis op de laseroutput te beheersen en de verbreding van spectrale lijnen, veroorzaakt door trillingen en temperatuurschommelingen van de externe omgeving, te minimaliseren. Tegelijkertijd kan dit ook gecombineerd worden met een analyse van de fase- of frequentieruisspectrale dichtheid om de ruisbron te achterhalen en het laserontwerp te optimaliseren, teneinde een stabiele output van de laser met smalle lijnbreedte te bereiken.
Laten we eens kijken naar de realisatie van een smalle lijnbreedte bij verschillende categorieën lasers.
Halfgeleiderlasers hebben als voordelen een compact formaat, een hoog rendement, een lange levensduur en economische voordelen.
De Fabry-Perot (FP) optische resonator die gebruikt wordt in traditionelehalfgeleiderlasersHet signaal oscilleert over het algemeen in meerdere longitudinale richtingen, en de breedte van de uitgangslijn is relatief groot. Daarom is het nodig om de optische terugkoppeling te vergroten om een uitgangslijn met een smalle breedte te verkrijgen.
Gedistribueerde feedback (DFB) en gedistribueerde Bragg-reflectie (DBR) zijn twee typische halfgeleiderlasers met interne optische feedback. Dankzij de kleine roosterstap en goede golflengteselectiviteit is het eenvoudig om een stabiele, enkelvoudige frequentie-uitgang met een smalle lijnbreedte te realiseren. Het belangrijkste verschil tussen de twee structuren is de positie van het rooster: de DFB-structuur verdeelt de periodieke structuur van het Bragg-rooster meestal over de resonator, terwijl de resonator van de DBR doorgaans bestaat uit een reflectieroosterstructuur en een versterkingsgebied dat in het eindoppervlak is geïntegreerd. Bovendien gebruiken DFB-lasers ingebedde roosters met een laag brekingsindexcontrast en een lage reflectiviteit. DBR-lasers gebruiken oppervlakteroosters met een hoog brekingsindexcontrast en een hoge reflectiviteit. Beide structuren hebben een groot vrij spectraal bereik en kunnen golflengteafstemming uitvoeren zonder modusverschuiving in het bereik van enkele nanometers, waarbij de DBR-laser een breder afstemmingsbereik heeft dan de DFB-laser.DFB-laserDaarnaast kan de externe-caviteit optische feedbacktechnologie, die gebruikmaakt van externe optische elementen om het uitgaande licht van de halfgeleiderlaserchip terug te koppelen en de frequentie te selecteren, ook een smalle lijnbreedte van de halfgeleiderlaser realiseren.
(2) Vezellasers
Fiberlasers hebben een hoge pompconversie-efficiëntie, een goede straalkwaliteit en een hoge koppelingsefficiëntie, wat tot de meest besproken onderwerpen in de laserwetenschap behoort. In het informatietijdperk zijn fiberlasers goed compatibel met de huidige optische glasvezelcommunicatiesystemen op de markt. De single-frequency fiberlaser, met zijn voordelen van een smalle lijnbreedte, lage ruis en goede coherentie, is uitgegroeid tot een belangrijke ontwikkelingsrichting.
De werking in de enkelvoudige longitudinale modus is de kern van vezellasers om een smalle lijnbreedte te bereiken. Op basis van de structuur van de resonator kunnen enkelvoudige frequentievezellasers doorgaans worden onderverdeeld in DFB-, DBR- en ringtype. Het werkingsprincipe van DFB- en DBR-enkelvoudige frequentievezellasers is vergelijkbaar met dat van DFB- en DBR-halfgeleiderlasers.
Zoals weergegeven in Figuur 1, is een DFB-vezellaser gebaseerd op het schrijven van een gedistribueerd Bragg-rooster in de vezel. Omdat de werkingsgolflengte van de oscillator wordt beïnvloed door de vezelperiode, kan de longitudinale modus worden geselecteerd door de gedistribueerde terugkoppeling van het rooster. De laserresonator van een DBR-laser wordt meestal gevormd door een paar vezel-Bragg-roosters, en de enkele longitudinale modus wordt hoofdzakelijk geselecteerd door smalbandige en laagreflecterende vezel-Bragg-roosters. Vanwege de lange resonator, de complexe structuur en het ontbreken van een effectief frequentiediscriminatiemechanisme is de ringvormige holte echter gevoelig voor modushopping, waardoor het moeilijk is om gedurende langere tijd stabiel in een constante longitudinale modus te werken.
Figuur 1, Twee typische lineaire structuren met één frequentievezellasers
Geplaatst op: 27 november 2023