Сёння мы прадставім экстрэмальны "манахраматычны" лазер - лазер з вузкай шырынёй лініі. Яго з'яўленне запаўняе прабелы ў многіх галінах прымянення лазера, і ў апошнія гады ён шырока выкарыстоўваецца ў выяўленні гравітацыйных хваль, liDAR, размеркаваным зандзіраванні, высакахуткаснай кагерэнтнай аптычнай сувязі і іншых галінах, што з'яўляецца «місіяй», якая не можа быць завершана толькі за кошт паляпшэння магутнасці лазера.
Што такое вузкалінейны лазер?
Тэрмін «шырыня лініі» адносіцца да спектральнай шырыні лініі лазера ў частотнай вобласці, якая звычайна колькасна вызначаецца ў тэрмінах паўпікавай поўнай шырыні спектру (FWHM). На шырыню лініі ў асноўным уплываюць спантаннае выпраменьванне ўзбуджаных атамаў або іёнаў, фазавы шум, механічная вібрацыя рэзанатара, тэмпературны джиттер і іншыя знешнія фактары. Чым менш значэнне шырыні лініі, тым вышэй чысціня спектру, гэта значыць лепш монахраматычнасць лазера. Лазеры з такімі характарыстыкамі звычайна маюць вельмі малы фазавы або частотны шум і вельмі малы шум адноснай інтэнсіўнасці. У той жа час, чым меншае значэнне лінейнай шырыні лазера, тым мацней адпаведная кагерэнтнасць, якая выяўляецца як надзвычай вялікая даўжыня кагерэнтнасці.
Рэалізацыя і прымяненне вузкапалоснага лазера
Абмежавана ўнутранай шырынёй лініі ўзмацнення працоўнага рэчыва лазера, практычна немагчыма непасрэдна рэалізаваць выхад вузкапалоснага лазера, абапіраючыся на сам традыцыйны асцылятар. Для таго, каб рэалізаваць працу лазера з вузкай шырынёй лініі, звычайна неабходна выкарыстоўваць фільтры, рашоткі і іншыя прылады для абмежавання або выбару падоўжнага модуля ў спектры ўзмацнення, павелічэння чыстай розніцы ўзмацнення паміж падоўжнымі модамі, так што ёсць некалькі ці нават толькі адна падоўжная мода ваганняў у лазерным рэзанатары. У гэтым працэсе часта неабходна кантраляваць уплыў шуму на выхад лазера і мінімізаваць пашырэнне спектральных ліній, выкліканае вібрацыяй і зменамі тэмпературы знешняга асяроддзя; У той жа час яго таксама можна спалучаць з аналізам спектральнай шчыльнасці фазавага або частотнага шуму, каб зразумець крыніцу шуму і аптымізаваць канструкцыю лазера, каб дасягнуць стабільнага выхаду лазера з вузкай шырынёй лініі.
Давайце паглядзім на рэалізацыю працы з вузкай шырынёй лініі некалькіх розных катэгорый лазераў.
Паўправадніковыя лазеры маюць кампактныя памеры, высокую эфектыўнасць, працяглы тэрмін службы і эканамічныя перавагі.
Аптычны рэзанатар Фабры-Перо (FP), які выкарыстоўваецца ў традыцыйныхпаўправадніковыя лазерыяк правіла, вагаецца ў шматпадоўжным рэжыме, і шырыня лініі на выхадзе адносна шырокая, таму неабходна павялічыць аптычную зваротную сувязь, каб атрымаць на выхадзе вузкую шырыню лініі.
Размеркаваная зваротная сувязь (DFB) і размеркаванае брэггаўскае адлюстраванне (DBR) - гэта два тыповых паўправадніковых лазера з унутранай аптычнай зваротнай сувяззю. Дзякуючы невялікаму кроку рашоткі і добрай селектыўнасці па даўжыні хвалі лёгка дасягнуць стабільнага адначастотнага выхаду з вузкай шырынёй лініі. Асноўнае адрозненне паміж дзвюма структурамі заключаецца ў становішчы рашоткі: структура DFB звычайна размяркоўвае перыядычную структуру рашоткі Брэга па ўсім рэзанатары, а рэзанатар DBR звычайна складаецца з структуры рашоткі адлюстравання і вобласці ўзмацнення, інтэграванай у кантавая паверхня. Акрамя таго, лазеры DFB выкарыстоўваюць убудаваныя рашоткі з нізкім кантрасным паказчыкам праламлення і нізкай адбівальнай здольнасцю. Лазеры DBR выкарыстоўваюць павярхоўныя рашоткі з высокім кантрастам паказчыка праламлення і высокай адбівальнай здольнасцю. Абедзве структуры маюць шырокі свабодны спектральны дыяпазон і могуць выконваць настройку даўжыні хвалі без скачка моды ў дыяпазоне некалькіх нанаметраў, дзе лазер DBR мае больш шырокі дыяпазон налады, чым лазерDFB лазер. Акрамя таго, тэхналогія аптычнай зваротнай сувязі са знешнім рэзонатарам, якая выкарыстоўвае знешнія аптычныя элементы для зваротнай сувязі з выходным святлом паўправадніковага лазернага чыпа і выбару частаты, таксама можа рэалізаваць працу паўправадніковага лазера з вузкай шырынёй лініі.
(2) Валаконныя лазеры
Валаконныя лазеры маюць высокую эфектыўнасць пераўтварэння накачкі, добрую якасць прамяня і высокую эфектыўнасць сувязі, якія з'яўляюцца гарачымі тэмамі даследаванняў у галіне лазераў. У кантэксце інфармацыйнай эры валаконныя лазеры маюць добрую сумяшчальнасць з сучаснымі оптавалаконнымі сістэмамі сувязі на рынку. Адным з важных напрамкаў яго развіцця стаў адначастотны валаконны лазер з перавагамі вузкай шырыні лініі, нізкага шуму і добрай кагерэнтнасці.
Праца ў адным падоўжным рэжыме з'яўляецца ядром валаконнага лазера для дасягнення выхаду вузкай шырыні лініі, звычайна ў адпаведнасці са структурай рэзанатара валаконнага лазера з адной частатой можна падзяліць на тып DFB, тып DBR і кальцавы тып. Сярод іх прынцып працы адначастотных валаконных лазераў DFB і DBR аналагічны прынцыпу працы паўправадніковых лазераў DFB і DBR.
Як паказана на малюнку 1, валаконны лазер DFB запісвае ў валакно размеркаваную брэгговскую кратку. Паколькі на працоўную даўжыню хвалі асцылятара ўплывае перыяд валакна, падоўжны рэжым можа быць выбраны з дапамогай размеркаванай зваротнай сувязі рашоткі. Лазерны рэзанатар лазера DBR звычайна складаецца з пары валаконных брэггаўскіх рашотак, а адна падоўжная мода ў асноўным выбіраецца з дапамогай вузкапалосных валаконных брэггаўскіх рашотак з нізкім каэфіцыентам адлюстравання. Аднак з-за доўгага рэзанатара, складанай структуры і адсутнасці эфектыўнага механізму дыскрымінацыі па частаце кальцавой рэзонатар схільны да скачкападобнай змены мод, і яму цяжка стабільна працаваць у пастаянным падоўжным рэжыме на працягу доўгага часу.
Малюнак 1. Дзве тыповыя лінейныя структуры з адной частатойвалаконныя лазеры
Час публікацыі: 27 лістапада 2023 г