Vandaag zullen we een “monochromatische” laser introduceren in combinatie met de extreme laser met smalle lijnbreedte.De opkomst ervan vult de hiaten op in veel toepassingsgebieden van laser, en is de afgelopen jaren op grote schaal gebruikt in zwaartekrachtgolfdetectie, liDAR, gedistribueerde detectie, snelle coherente optische communicatie en andere velden, wat een ‘missie’ is die niet kan worden uitgevoerd. alleen voltooid door het verbeteren van het laservermogen.
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 aangeslagen 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 gewoonlijk zeer weinig fase- of frequentieruis en zeer weinig relatieve intensiteitsruis.Tegelijkertijd geldt: 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 lijnbreedtelaser
Beperkt door de inherente lijnbreedteversterking van de werksubstantie van de laser, is het bijna 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 een weinig of zelfs slechts één oscillatie in de longitudinale modus in de laserresonator.Bij dit proces is het vaak nodig om de invloed van ruis op de laseruitvoer te beheersen en de verbreding van de spectraallijnen, veroorzaakt door trillingen en temperatuurveranderingen van de externe omgeving, tot een minimum te beperken;Tegelijkertijd kan het ook worden gecombineerd met de analyse van de spectrale dichtheid van fase- of frequentieruis om de bron van de 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 werking met smalle lijnbreedte van verschillende categorieën lasers.
Halfgeleiderlasers hebben de voordelen van een compact formaat, hoog rendement, een lange levensduur en economische voordelen.
De Fabry-Perot (FP) optische resonator die traditioneel wordt gebruikthalfgeleider lasersoscilleert over het algemeen in de multi-longitudinale modus, en de uitvoerlijnbreedte is relatief breed, dus het is noodzakelijk om de optische feedback te vergroten om de uitvoer met een smalle lijnbreedte te verkrijgen.
Gedistribueerde feedback (DFB) en gedistribueerde Bragg-reflectie (DBR) zijn twee typische halfgeleiderlasers met interne optische feedback.Dankzij de kleine rastersteek en de goede golflengteselectiviteit is het eenvoudig om een stabiele enkelfrequente smalle lijnbreedte-uitvoer te bereiken.Het belangrijkste verschil tussen de twee structuren is de positie van het rooster: de DFB-structuur verdeelt gewoonlijk de periodieke structuur van het Bragg-rooster door de resonator, en de resonator van de DBR bestaat meestal uit de reflectieroosterstructuur en het versterkingsgebied geïntegreerd in het eindoppervlak.Bovendien gebruiken DFB-lasers ingebedde roosters met een laag brekingsindexcontrast en een laag reflectievermogen.DBR-lasers maken gebruik van oppervlakteroosters met een hoog brekingsindexcontrast en hoge reflectiviteit.Beide structuren hebben een groot vrij spectraal bereik en kunnen golflengteafstemming uitvoeren zonder modussprong in het bereik van enkele nanometers, waarbij de DBR-laser een groter afstembereik heeft dan deDFB-laser.Bovendien kan de optische feedbacktechnologie met externe holte, die externe optische elementen gebruikt om het uitgaande licht van de halfgeleiderlaserchip terug te koppelen en de frequentie te selecteren, ook de werking van de halfgeleiderlaser met smalle lijnbreedte realiseren.
(2) Vezellasers
Vezellasers hebben een hoge pompconversie-efficiëntie, goede straalkwaliteit en hoge koppelingsefficiëntie, wat de meest populaire onderzoeksthema's op lasergebied zijn.In de context van het informatietijdperk zijn fiberlasers goed compatibel met de huidige optische vezelcommunicatiesystemen op de markt.De enkelfrequente fiberlaser met de voordelen van een smalle lijnbreedte, weinig ruis en goede samenhang is een van de belangrijke ontwikkelingsrichtingen geworden.
Enkelvoudige longitudinale moduswerking is de kern van vezellaser om een smalle lijnbreedte-uitvoer te bereiken, meestal volgens de structuur van de resonator van enkelvoudige frequentievezellaser kan worden onderverdeeld in DFB-type, DBR-type en ringtype.Onder hen is het werkingsprincipe van DFB- en DBR-vezellasers met enkele frequentie vergelijkbaar met dat van DFB- en DBR-halfgeleiderlasers.
Zoals weergegeven in figuur 1, moet de DFB-vezellaser gedistribueerde Bragg-roosters in de vezel schrijven.Omdat de werkgolflengte van de oscillator wordt beïnvloed door de vezelperiode, kan de longitudinale modus worden geselecteerd via de gedistribueerde feedback van het rooster.De laserresonator van de DBR-laser wordt gewoonlijk gevormd door een paar Bragg-vezelroosters, en de enkele longitudinale modus wordt voornamelijk geselecteerd door Bragg-roosters met smalle band en lage reflectiviteit.Vanwege de lange resonator, de complexe structuur en het ontbreken van een effectief frequentiediscriminatiemechanisme is de ringvormige holte echter gevoelig voor mode-hopping, en is het moeilijk om gedurende lange tijd stabiel in een constante longitudinale modus te werken.
Figuur 1, Twee typische lineaire structuren met één frequentiefiber lasers
Posttijd: 27 november 2023