Vandaag introduceren we een "monochromatische" laser tot het uiterste: een laser met smalle lijnbreedte. De opkomst ervan vult de gaten in vele toepassingsgebieden van lasers en is de afgelopen jaren op grote schaal gebruikt in gravitatiegolfdetectie, LiDAR, gedistribueerde detectie, snelle coherente optische communicatie en andere gebieden. Dit is een "missie" die niet alleen kan worden voltooid door het laservermogen te verbeteren.
Wat is een laser met smalle lijnbreedte?
De term "lijnbreedte" verwijst naar de spectrale lijnbreedte van de laser in het frequentiedomein, die gewoonlijk wordt gekwantificeerd in termen van de halve piek volledige breedte van het spectrum (FWHM). De lijnbreedte wordt voornamelijk beïnvloed door de spontane straling van geëxciteerde atomen of ionen, faseruis, mechanische trillingen van de resonator, temperatuurjitter en andere externe factoren. Hoe kleiner de lijnbreedte, hoe zuiverder het spectrum, dat wil zeggen, hoe beter de monochromaticiteit van de laser. Lasers met dergelijke kenmerken hebben doorgaans zeer weinig fase- of frequentieruis en zeer weinig relatieve intensiteitsruis. Tegelijkertijd geldt: hoe kleiner de lineaire breedte van de laser, hoe sterker de bijbehorende coherentie, die zich manifesteert als een extreem lange coherentielengte.
Realisatie en toepassing van smalle lijnbreedtelaser
Beperkt door de inherente versterkingslijnbreedte van de werksubstantie van de laser, is het vrijwel onmogelijk om de output van de 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, het netto versterkingsverschil tussen de longitudinale modi te vergroten, zodat er weinig of zelfs slechts één longitudinale modusoscillatie in de laserresonator is. In 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 temperatuurveranderingen van de externe omgeving te minimaliseren; tegelijkertijd kan dit ook worden gecombineerd met de analyse van de spectrale dichtheid van fase- of frequentieruis om de bron van ruis te begrijpen en het ontwerp van de laser te optimaliseren, om zo een stabiele output van de laser met smalle lijnbreedte te bereiken.
Laten we eens kijken naar de realisatie van smalle lijnbreedte-operaties van verschillende categorieën lasers.
Halfgeleiderlasers hebben als voordelen dat ze compact zijn, een hoge efficiëntie hebben, lang meegaan en economisch voordelig zijn.
De Fabry-Perot (FP) optische resonator die in traditionelehalfgeleiderlasersoscilleert over het algemeen in de multi-longitudinale modus en de uitvoerlijnbreedte is relatief breed. Daarom is het nodig om de optische feedback te vergroten om een uitvoer met een smalle lijnbreedte te verkrijgen.
Distributed feedback (DFB) en Distributed Bragg reflection (DBR) zijn twee typische halfgeleiderlasers met interne optische feedback. Dankzij de kleine roosterafstand en de goede golflengteselectiviteit is het gemakkelijk om een stabiele output met een smalle lijnbreedte op één frequentie te bereiken. Het belangrijkste verschil tussen de twee structuren is de positie van het rooster: de DFB-structuur verdeelt de periodieke structuur van het Bragg-rooster doorgaans over de resonator, terwijl de resonator van de DBR meestal bestaat uit de reflectieroosterstructuur en het versterkingsgebied geïntegreerd in het eindoppervlak. 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 golflengte-afstemming uitvoeren zonder modussprong in het bereik van enkele nanometers, waarbij de DBR-laser een breder afstemmingsbereik heeft dan deDFB-laserBovendien kan de technologie voor optische feedback met externe holte, die gebruikmaakt van externe optische elementen om het uitgaande licht van de halfgeleiderlaserchip terug te koppelen en de frequentie te selecteren, ook de werking met smalle lijnbreedte van de halfgeleiderlaser realiseren.
(2) Vezellasers
Fiberlasers hebben een hoge pompconversie-efficiëntie, een goede straalkwaliteit en een hoge koppelingsefficiëntie, wat belangrijke onderzoeksonderwerpen zijn op het gebied van lasers. In het informatietijdperk zijn fiberlasers goed compatibel met de huidige glasvezelcommunicatiesystemen op de markt. De single-frequency fiberlaser, met de voordelen van een smalle lijnbreedte, lage ruis en goede coherentie, is een van de belangrijkste ontwikkelingsrichtingen geworden.
Enkelvoudige longitudinale modus is de kern van fiberlasers om een smalle lijnbreedte te bereiken. Afhankelijk van de structuur van de resonator kan een fiberlaser met enkelvoudige frequentie worden onderverdeeld in het DFB-type, DBR-type en ringtype. Het werkingsprincipe van DFB- en DBR-fiberlasers met enkelvoudige frequentie is vergelijkbaar met dat van DFB- en DBR-halfgeleiderlasers.
Zoals weergegeven in figuur 1, schrijft de DFB-vezellaser een gedistribueerd Bragg-rooster in de vezel. Omdat de werkgolflengte van de oscillator wordt beïnvloed door de vezelperiode, kan de longitudinale modus worden geselecteerd via de gedistribueerde terugkoppeling van het rooster. De laserresonator van een DBR-laser bestaat meestal uit een paar vezel-Bragg-roosters, en de enkele longitudinale modus wordt voornamelijk geselecteerd door smalbandige vezel-Bragg-roosters met een lage reflectiviteit. Vanwege de lange resonator, de complexe structuur en het ontbreken van een effectief frequentiediscriminatiemechanisme is de ringvormige holte echter gevoelig voor modehopping, waardoor het moeilijk is om gedurende lange tijd stabiel in een constante longitudinale modus te werken.
Figuur 1, Twee typische lineaire structuren met een enkele frequentievezellasers
Plaatsingstijd: 27-11-2023