Сёння мы прадставім вам «манахраматычны» лазер экстрэмальных характарыстык — лазер з вузкай шырынёй лініі. Яго з'яўленне запаўняе прабелы ў многіх галінах прымянення лазераў і ў апошнія гады шырока выкарыстоўваецца ў выяўленні гравітацыйных хваль, лідарных датчыках, размеркаваных датчыках, высакахуткаснай кагерэнтнай аптычнай сувязі і іншых галінах, што з'яўляецца «місіяй», якую немагчыма выканаць толькі за кошт паляпшэння магутнасці лазера.
Што такое лазер з вузкай шырынёй лініі?
Тэрмін «шырыня лініі» адносіцца да спектральнай шырыні лініі лазера ў частотнай вобласці, якая звычайна вызначаецца колькасна з пункту гледжання паўшырыні спектру на паўпіку (FWHM). На шырыню лініі ў асноўным уплывае спантаннае выпраменьванне ўзбуджаных атамаў або іонаў, фазавы шум, механічная вібрацыя рэзанатара, тэмпературнае ваганне і іншыя знешнія фактары. Чым меншае значэнне шырыні лініі, тым вышэйшая чысціня спектру, гэта значыць тым лепшая манахраматычнасць лазера. Лазеры з такімі характарыстыкамі звычайна маюць вельмі малы фазавы або частотны шум і вельмі малы адносны шум інтэнсіўнасці. У той жа час, чым меншае значэнне лінейнай шырыні лазера, тым мацнейшая адпаведная кагерэнтнасць, якая праяўляецца ў надзвычай вялікай даўжыні кагерэнтнасці.
Рэалізацыя і прымяненне вузкалінейнага лазера
З-за абмежаванняў уласцівай шырыні лініі ўзмацнення рабочага рэчыва лазера практычна немагчыма непасрэдна рэалізаваць выхадны сігнал вузкашырынёвага лазера, абапіраючыся толькі на сам традыцыйны генератар. Для рэалізацыі працы вузкашырынёвага лазера звычайна неабходна выкарыстоўваць фільтры, рашоткі і іншыя прылады для абмежавання або выбару падоўжнага модуля ў спектры ўзмацнення, павелічэння чыстай розніцы ўзмацнення паміж падоўжнымі модамі, каб у лазерным рэзанатары было некалькі або нават толькі адна падоўжная мода ваганняў. Пры гэтым часта неабходна кантраляваць уплыў шуму на выхадны сігнал лазера і мінімізаваць пашырэнне спектральных ліній, выкліканае вібрацыяй і зменамі тэмпературы знешняга асяроддзя; у той жа час гэта таксама можна спалучаць з аналізам спектральнай шчыльнасці фазавага або частотнага шуму, каб зразумець крыніцу шуму і аптымізаваць канструкцыю лазера, каб дасягнуць стабільнага выхаднога сігналу вузкашырынёвага лазера.
Давайце разгледзім рэалізацыю працы з вузкай шырынёй лініі для некалькіх розных катэгорый лазераў.
Паўправадніковыя лазеры маюць такія перавагі, як кампактныя памеры, высокая эфектыўнасць, працяглы тэрмін службы і эканамічныя выгады.
Аптычны рэзанатар Фабры-Перо (FP), які выкарыстоўваецца ў традыцыйныхпаўправадніковыя лазерызвычайна вагаецца ў шматпадоўжным рэжыме, а шырыня выходнай лініі адносна шырокая, таму неабходна павялічыць аптычную зваротную сувязь, каб атрымаць выхад з вузкай шырынёй лініі.
Размеркаваная зваротная сувязь (DFB) і размеркаванае адлюстраванне Брэга (DBR) — два тыповыя паўправадніковыя лазеры з унутранай аптычнай зваротнай сувяззю. Дзякуючы малому кроку рашоткі і добрай селектыўнасці па даўжыні хвалі, лёгка дасягнуць стабільнага адначастотнага выхаднога сігналу з вузкай шырынёй лініі. Асноўнае адрозненне паміж гэтымі двума структурамі заключаецца ў размяшчэнні 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 тарэц. Акрамя таго, у лазерах DFB выкарыстоўваюцца ўбудаваныя рашоткі з нізкім кантрастам паказчыка праламлення і нізкай адбівальнай здольнасцю. У лазерах DBR выкарыстоўваюцца паверхневыя рашоткі з высокім кантрастам паказчыка праламлення і высокай адбівальнай здольнасцю. Абедзве структуры маюць шырокі свабодны спектральны дыяпазон і могуць выконваць перабудову даўжыні хвалі без скачка моды ў дыяпазоне некалькіх нанаметраў, дзе лазер DBR мае больш шырокі дыяпазон перабудовы, чым...DFB-лазерАкрамя таго, тэхналогія аптычнай зваротнай сувязі з вонкавым рэзанатарам, якая выкарыстоўвае знешнія аптычныя элементы для зваротнай сувязі па выходным святле паўправадніковага лазернага чыпа і выбару частаты, таксама дазваляе рэалізаваць працу паўправадніковага лазера з вузкай шырынёй лініі.
(2) Валакновыя лазеры
Валакновыя лазеры маюць высокую эфектыўнасць пераўтварэння накачкі, добрую якасць прамяня і высокую эфектыўнасць сувязі, што з'яўляецца актуальнымі тэмамі даследаванняў у галіне лазераў. У кантэксце інфармацыйнай эпохі валаконныя лазеры маюць добрую сумяшчальнасць з сучаснымі сістэмамі валаконна-аптычнай сувязі, якія ёсць на рынку. Аднакаштоны валаконны лазер з перавагамі вузкай шырыні лініі, нізкага ўзроўню шуму і добрай кагерэнтнасці стаў адным з важных напрамкаў яго развіцця.
Адначастотныя валаконныя лазеры працуюць у падоўжным рэжыме, што дазваляе дасягнуць вузкай шырыні лініі выпраменьвання. Звычайна ў залежнасці ад структуры рэзанатара адначастотныя валаконныя лазеры можна падзяліць на тыпы DFB, DBR і кальцавыя. Прынцып працы адначастотных валаконных лазераў DFB і DBR падобны да прынцыпу працы паўправадніковых лазераў DFB і DBR.
Як паказана на малюнку 1, валаконны лазер з разрозненым абаротам (DFB) запісвае ў валакно размеркаваную брэгаўскую рашотку. Паколькі працоўная даўжыня хвалі генератара залежыць ад перыяду валакна, падоўжная мода можа быць выбрана праз размеркаваную зваротную сувязь рашоткі. Лазерны рэзанатар DBR-лазера звычайна ўтвораны парай валаконных брэгаўскіх рашотак, а адна падоўжная мода ў асноўным выбіраецца вузкапалоснымі валаконнымі брэгаўскімі рашоткамі з нізкай адбівальнай здольнасцю. Аднак з-за доўгага рэзанатара, складанай структуры і адсутнасці эфектыўнага механізму дыскрымінацыі частаты кальцавы рэзанатар схільны да пераскокаў мод, і цяжка стабільна працаваць у пастаянным падоўжным рэжыме на працягу доўгага часу.
Малюнак 1, Дзве тыповыя лінейныя структуры адной частатывалаконныя лазеры
Час публікацыі: 27 лістапада 2023 г.