Vandaag zullen we een "monochromatische" laser introduceren in de extreme - smalle lijnbreedte laser. De opkomst ervan vult de hiaten in veel toepassingsgebieden van laser en is de afgelopen jaren veel gebruikt in gravitatiegolfdetectie, lidar, gedistribueerde detectie, high-speed coherente optische communicatie en andere velden, een "missie" die niet alleen kan worden voltooid door de laserkracht te verbeteren.
Wat is een smalle lijnbreedtelaser?
De term "lijnbreedte" verwijst naar de spectrale lijnbreedte van de laser in het frequentiedomein, die meestal wordt gekwantificeerd in termen van de half 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 waarde van de lijnbreedte, hoe hoger de zuiverheid van het spectrum, dat wil zeggen, hoe beter de monochromaticiteit van de laser. Lasers met dergelijke kenmerken hebben meestal zeer weinig fase- of frequentieruis en zeer weinig relatieve intensiteitsruis. Tegelijkertijd, hoe kleiner de lineaire breedtewaarde van de laser, hoe sterker de overeenkomstige coherentie, die zich manifesteert als een extreem lange coherentielengte.
Realisatie en toepassing van smalle lijnbreedte laser
Beperkt door de inherente winstslijnbreedte van de werksubstantie van de laser, is het bijna onmogelijk om de output van de smalle lijnbreedtelaser direct te realiseren door te vertrouwen op de traditionele oscillator zelf. Om de werking van de smalle lijnbreedtelaser 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, zodat er een paar of zelfs slechts één longitudinale modus -oscillatie in de laserresonator is. In dit proces is het vaak noodzakelijk om de invloed van ruis op de laseruitgang te regelen en de verbreding van spectrale lijnen veroorzaakt door de trillings- en temperatuurveranderingen van de externe omgeving te minimaliseren; Tegelijkertijd kan het ook worden gecombineerd met de analyse van fase- of frequentieruisspectrale dichtheid om de bron van ruis te begrijpen en het ontwerp van de laser te optimaliseren, om een stabiele output van de smalle lijnbreedtelaser te bereiken.
Laten we eens kijken naar de realisatie van een smalle lijnbreedte -operatie van verschillende categorieën lasers.
Semiconductor -lasers hebben de voordelen van compacte grootte, hoge efficiëntie, lange levensduur en economische voordelen.
De optische resonator van Fabry-Perot (FP) die in traditioneel wordt gebruikthalfgeleider LasersOver het algemeen oscilleert oscilleert in de multi-longitudinale modus en de uitgangslijnbreedte is relatief breed, dus het is noodzakelijk om de optische feedback te vergroten om de uitgang van een smalle lijnbreedte te verkrijgen.
Gedistribueerde feedback (DFB) en gedistribueerde Bragg Reflection (DBR) zijn twee typische interne optische feedback halfgeleiderlasers. Vanwege de kleine roosterspeld en een goede selectiviteit van de golflengte, is het eenvoudig om stabiele eenfrequente smalle lijnbreedte-uitgang te bereiken. Het belangrijkste verschil tussen de twee structuren is de positie van het rooster: de DFB -structuur verdeelt meestal de periodieke structuur van het Bragg -rooster door de resonator, en de resonator van de DBR is meestal samengesteld uit de reflectie -roosterstructuur en het versterkingsgebied geïntegreerd in het eindoppervlak. Bovendien gebruiken DFB -lasers ingebedde roosters met lage brekingsindexcontrast en lage reflectiviteit. DBR -lasers gebruiken oppervlakteverfijn met hoge brekingsindexcontrast en hoge reflectiviteit. Beide structuren hebben een groot vrij spectraal bereik en kunnen golflengtafstemming uitvoeren zonder modus springen in het bereik van een paar nanometer, waarbij de DBR -laser een breder afstemmingsbereik heeft dan deDFB -laser. Bovendien kan de externe holte optische feedback -technologie, die externe optische elementen gebruikt om het uitgaande licht van de halfgeleiderlaserchip te feedback en de frequentie te selecteren, ook de smalle lijnbreedte -werking van de halfgeleiderlaser realiseren.
(2) Vezellasers
Vezellazers hebben een hoge pompconversie -efficiëntie, goede straalkwaliteit en hoge koppelingsefficiëntie, de hot onderzoeksthema's in het laserveld. In de context van het informatietijdperk hebben vezellasers een goede compatibiliteit met huidige optische vezelcommunicatiesystemen op de markt. De single-frequentie vezellaser met de voordelen van smalle lijnbreedte, lage ruis en goede coherentie is een van de belangrijke richtingen van de ontwikkeling ervan geworden.
De werking van enkele longitudinale modus is de kern van vezellaser om een smalle lijnbreedte-uitgang te bereiken, meestal volgens de structuur van de resonator van enkele frequentievezellaser kan worden verdeeld in het DFB-type, het DBR-type en het ringtype. Onder hen is het werkende principe van DFB en DBR single-frequentie vezellasers vergelijkbaar met dat van DFB en DBR Semiconductor Lasers.
Zoals getoond in figuur 1, moet DFB Fiber Laser gedistribueerde Bragg -rooster in de vezel schrijven. Omdat de werkgolflengte van de oscillator wordt beïnvloed door de vezelperiode, kan de longitudinale modus worden geselecteerd door de gedistribueerde feedback van het rooster. De laserresonator van DBR -laser wordt meestal gevormd door een paar vezelbragg -roosters, en de enkele longitudinale modus wordt voornamelijk geselecteerd door smalle band en lage reflectiviteitsvezel Bragg -roosters. Vanwege zijn lange resonator, complexe structuur en gebrek aan effectief frequentiediscriminatiemechanisme, is ringvormige holte echter vatbaar voor modushoppen en het is moeilijk om stabiel stabiel te werken in de constante longitudinale modus.
Figuur 1, twee typische lineaire structuren van enkele frequentieVezellasers
Posttijd: nov-27-2023