Ma egy szélsőséges „monokromatikus” lézert mutatunk be – a keskeny vonalszélességű lézert. Megjelenése számos lézeralkalmazási területen betölti a hiányosságokat, és az utóbbi években széles körben alkalmazzák gravitációs hullámok detektálásában, liDAR-ban, elosztott érzékelésben, nagysebességű koherens optikai kommunikációban és más területeken, ami egy olyan „küldetés”, amelyet nem lehet csak a lézerteljesítmény fejlesztésével teljesíteni.
Mi az a keskeny vonalszélességű lézer?
A „vonalszélesség” kifejezés a lézer spektrális vonalszélességére utal a frekvenciatartományban, amelyet általában a spektrum félcsúcs teljes szélességében (FWHM) számszerűsítenek. A vonalszélességet főként a gerjesztett atomok vagy ionok spontán sugárzása, a fáziszaj, a rezonátor mechanikai rezgése, a hőmérsékleti jitter és egyéb külső tényezők befolyásolják. Minél kisebb a vonalszélesség értéke, annál nagyobb a spektrum tisztasága, azaz annál jobb a lézer monokromatikus tulajdonsága. Az ilyen jellemzőkkel rendelkező lézerek általában nagyon kevés fázis- vagy frekvenciazajjal és nagyon kevés relatív intenzitászajjal rendelkeznek. Ugyanakkor minél kisebb a lézer lineáris szélessége, annál erősebb a megfelelő koherencia, ami rendkívül hosszú koherenciahosszként nyilvánul meg.
Keskeny vonalszélességű lézer megvalósítása és alkalmazása
A lézer munkaközegének erősítési vonalszélessége által korlátozott módon szinte lehetetlen közvetlenül megvalósítani a keskeny vonalszélességű lézer kimenetét a hagyományos oszcillátor segítségével. A keskeny vonalszélességű lézer működésének megvalósításához általában szűrőket, rácsot és egyéb eszközöket kell használni az erősítési spektrum longitudinális modulusának korlátozására vagy kiválasztására, a longitudinális módusok közötti nettó erősítési különbség növelésére, hogy a lézerrezonátorban kevés vagy akár csak egy longitudinális módus rezgés legyen. Ebben a folyamatban gyakran szükség van a zaj lézerkimenetre gyakorolt hatásának szabályozására, és a külső környezet rezgése és hőmérsékletváltozásai által okozott spektrális vonalak kiszélesedésének minimalizálására; Ugyanakkor a fázis- vagy frekvenciazaj spektrális sűrűségének elemzésével kombinálva megérthető a zaj forrása, és optimalizálható a lézer kialakítása, hogy a keskeny vonalszélességű lézer stabil kimenetet érjen el.
Vessünk egy pillantást a keskeny vonalszélességű működés megvalósítására több különböző kategóriájú lézer esetében.
A félvezető lézerek előnyei közé tartozik a kompakt méret, a nagy hatékonyság, a hosszú élettartam és a gazdaságosság.
A hagyományos Fabry-Perot (FP) optikai rezonátorfélvezető lézerekáltalában többhosszúságú módban oszcillál, és a kimeneti vonal szélessége viszonylag széles, ezért a keskeny vonalszélesség kimenetének eléréséhez növelni kell az optikai visszacsatolást.
Az elosztott visszacsatolású (DFB) és az elosztott Bragg-reflexiós (DBR) két tipikus belső optikai visszacsatolású félvezető lézer. A kis rácsosztás és a jó hullámhossz-szelektivitás miatt könnyen elérhető stabil, egyfrekvenciás, keskeny vonalszélességű kimenet. A két szerkezet közötti fő különbség a rács elhelyezkedése: a DFB szerkezet általában a Bragg-rács periodikus szerkezetét osztja el a rezonátorban, a DBR rezonátora pedig általában a reflexiós rácsszerkezetből és a végfelületbe integrált erősítési tartományból áll. Ezenkívül a DFB lézerek beágyazott, alacsony törésmutató-kontrasztú és alacsony visszaverődésű rácsokat használnak. A DBR lézerek nagy törésmutató-kontrasztú és nagy visszaverődésű felületi rácsokat használnak. Mindkét szerkezet nagy szabad spektrális tartománnyal rendelkezik, és módusugrás nélkül képes hullámhossz-hangolást végezni néhány nanométeres tartományban, ahol a DBR lézer szélesebb hangolási tartománnyal rendelkezik, mint a...DFB lézerEzenkívül a külső üreges optikai visszacsatolási technológia, amely külső optikai elemeket használ a félvezető lézerchip kimenő fényének visszacsatolására és a frekvencia kiválasztására, megvalósíthatja a félvezető lézer keskeny vonalszélességű működését is.
(2) Száloptikai lézerek
A szálas lézerek magas pumpálási konverziós hatásfokkal, jó nyalábminőséggel és magas csatolási hatásfokkal rendelkeznek, amelyek a lézertechnika legújabb kutatási témái. Az információs korban a szálas lézerek jól kompatibilisek a piacon lévő jelenlegi optikai szálas kommunikációs rendszerekkel. Az egyfrekvenciás szálas lézer a keskeny vonalszélesség, az alacsony zajszint és a jó koherencia előnyeivel a fejlesztés egyik fontos irányává vált.
A szálas lézer lényege, hogy keskeny vonalszélességű kimenetet érjen el, az egyfrekvenciás szálas lézerek rezonátorának szerkezete szerint általában DFB, DBR és gyűrű típusúak. Ezek közül a DFB és DBR egyfrekvenciás szálas lézerek működési elve hasonló a DFB és DBR félvezető lézerek működési elvéhez.
Amint az az 1. ábrán látható, a DFB szálas lézer elosztott Bragg-rácsot ír a szálba. Mivel az oszcillátor működési hullámhosszát a szál periódusa befolyásolja, a longitudinális módus a rács elosztott visszacsatolásával választható ki. A DBR lézer rezonátorát általában egy pár szálas Bragg-rács alkotja, és az egyetlen longitudinális módust főként keskeny sávú és alacsony visszaverődésű szálas Bragg-rácsok választják ki. Hosszú rezonátora, összetett szerkezete és a hatékony frekvencia-diszkriminációs mechanizmus hiánya miatt azonban a gyűrű alakú üreg hajlamos a módugratásra, és nehéz hosszú ideig stabilan működni állandó longitudinális módban.
1. ábra: Két tipikus, egyfrekvenciás lineáris struktúraszálas lézerek
Közzététel ideje: 2023. november 27.