Λέιζερ στενού εύρους γραμμής

Ορισμένες εφαρμογές λέιζερ απαιτούν το λέιζερ να έχει πολύ στενό εύρος γραμμής, δηλαδή στενό φάσμα. Τα λέιζερ στενού εύρους γραμμής αναφέρονται σε λέιζερ μονής συχνότητας, δηλαδή, υπάρχει μια λειτουργία κοιλότητας συντονισμού στην τιμή του λέιζερ και ο θόρυβος φάσης είναι πολύ χαμηλός, επομένως η φασματική καθαρότητα είναι πολύ υψηλή. Τυπικά τέτοια λέιζερ έχουν πολύ χαμηλή ένταση θορύβου.

Οι πιο σημαντικοί τύποι λέιζερ στενού εύρους γραμμής είναι οι εξής:

1. Τα λέιζερ ημιαγωγών, οι δίοδοι λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης (λέιζερ DFB) και τα κατανεμημένα λέιζερ ανάκλασης Bragg (λέιζερ DBR), χρησιμοποιούνται συχνότερα στην περιοχή των 1500 ή 1000 nm. Τυπικές παράμετροι λειτουργίας είναι μια ισχύς εξόδου δεκάδων milliwatts (μερικές φορές μεγαλύτερη από 100 milliwatts) και ένα πλάτος γραμμής αρκετών MHz.

2. Μπορούν να ληφθούν στενότερα πλάτη γραμμής με λέιζερ ημιαγωγών, για παράδειγμα με επέκταση του συντονιστή με ίνα μονής λειτουργίας που περιέχει πλέγμα ινών Bragg στενής ζώνης ή χρησιμοποιώντας λέιζερ διόδου εξωτερικής κοιλότητας. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, μπορεί να επιτευχθεί ένα εξαιρετικά στενό πλάτος γραμμής αρκετών kHz ή ακόμη και μικρότερο από 1 kHz.

3. Μικρά λέιζερ ινών κατανεμημένης ανάδρασης (αντηχεία κατασκευασμένα από ειδικές σχάρες ινών Bragg) μπορούν να παράγουν ισχύ εξόδου δεκάδων milliwatts με πλάτη γραμμής στην περιοχή kHz.

4. Τα λέιζερ σώματος στερεάς κατάστασης με αντλία διόδου με αντηχεία μη επίπεδων δακτυλίων μπορούν επίσης να αποκτήσουν πλάτος γραμμής αρκετών kHz, ενώ η ισχύς εξόδου είναι σχετικά υψηλή, της τάξης του 1W. Αν και ένα τυπικό μήκος κύματος είναι 1064 nm, άλλες περιοχές μήκους κύματος όπως 1300 ή 1500 nm είναι επίσης δυνατές.

Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν το στενό πλάτος γραμμής των λέιζερ

Προκειμένου να επιτευχθεί ένα λέιζερ με πολύ στενό εύρος ζώνης ακτινοβολίας (εύρος γραμμής), οι ακόλουθοι παράγοντες πρέπει να ληφθούν υπόψη στο σχεδιασμό λέιζερ:

Πρώτον, πρέπει να επιτευχθεί λειτουργία μίας συχνότητας. Αυτό επιτυγχάνεται εύκολα χρησιμοποιώντας ένα μέσο κέρδους με μικρό εύρος ζώνης κέρδους και μικρή κοιλότητα λέιζερ (με αποτέλεσμα μεγάλη ελεύθερη φασματική περιοχή). Ο στόχος θα πρέπει να είναι η μακροπρόθεσμη σταθερή λειτουργία μιας συχνότητας χωρίς αναπήδηση λειτουργίας.

Δεύτερον, η επίδραση του εξωτερικού θορύβου πρέπει να ελαχιστοποιηθεί. Αυτό απαιτεί σταθερή ρύθμιση αντηχείου (μονόχρωμη) ή ειδική προστασία από μηχανικούς κραδασμούς. Τα λέιζερ με ηλεκτρική αντλία πρέπει να χρησιμοποιούν πηγές ρεύματος ή τάσης χαμηλού θορύβου, ενώ τα λέιζερ που αντλούνται οπτικά πρέπει να έχουν θόρυβο χαμηλής έντασης ως πηγή φωτός της αντλίας. Επιπλέον, όλα τα κύματα φωτός ανάδρασης πρέπει να αποφεύγονται, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας απομονωτές Faraday. Θεωρητικά, ο εξωτερικός θόρυβος έχει μικρότερη επιρροή από τον εσωτερικό θόρυβο, όπως η αυθόρμητη εκπομπή στο μέσο απολαβής. Αυτό είναι εύκολο να επιτευχθεί όταν η συχνότητα θορύβου είναι υψηλή, αλλά όταν η συχνότητα θορύβου είναι χαμηλή η επίδραση στο πλάτος γραμμής είναι πιο σημαντική.

Τρίτον, ο σχεδιασμός λέιζερ πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να ελαχιστοποιηθεί ο θόρυβος λέιζερ, ειδικά ο θόρυβος φάσης. Προτιμώνται η υψηλή ισχύς εντός της κοιλότητας και οι μακρύι συντονιστές, αν και η σταθερή λειτουργία μιας συχνότητας είναι πιο δύσκολο να επιτευχθεί σε αυτή την περίπτωση.

Η βελτιστοποίηση του συστήματος απαιτεί κατανόηση της σημασίας των διαφορετικών πηγών θορύβου, καθώς απαιτούνται διαφορετικές μετρήσεις ανάλογα με την κυρίαρχη πηγή θορύβου. Για παράδειγμα, το πλάτος γραμμής που ελαχιστοποιείται σύμφωνα με την εξίσωση Schawlow-Townes δεν ελαχιστοποιεί απαραίτητα το πραγματικό πλάτος γραμμής εάν το πραγματικό πλάτος γραμμής καθορίζεται από μηχανικό θόρυβο.

Χαρακτηριστικά θορύβου και προδιαγραφές απόδοσης.

Τόσο τα χαρακτηριστικά θορύβου όσο και οι μετρήσεις απόδοσης των λέιζερ στενού εύρους γραμμής είναι ασήμαντα ζητήματα. Διαφορετικές τεχνικές μέτρησης συζητούνται στο λήμμα Linewidth, ειδικά τα πλάτη γραμμής λίγων kHz ή λιγότερο είναι απαιτητικά. Επιπλέον, μόνο λαμβάνοντας υπόψη την τιμή του εύρους γραμμής δεν μπορεί να δώσει όλα τα χαρακτηριστικά θορύβου. είναι απαραίτητο να δοθεί ένα πλήρες φάσμα θορύβου φάσης, καθώς και πληροφορίες σχετικής έντασης θορύβου. Η τιμή του εύρους γραμμής πρέπει να συνδυαστεί τουλάχιστον με τον χρόνο μέτρησης ή άλλες πληροφορίες που λαμβάνουν υπόψη τη μακροπρόθεσμη μετατόπιση συχνότητας.

Φυσικά, διαφορετικές εφαρμογές έχουν διαφορετικές απαιτήσεις και ποιο επίπεδο δείκτη απόδοσης θορύβου πρέπει να λαμβάνεται υπόψη σε διαφορετικές πραγματικές καταστάσεις.

Εφαρμογές λέιζερ στενού εύρους γραμμής

1. Μια πολύ σημαντική εφαρμογή είναι στον τομέα της ανίχνευσης, όπως αισθητήρες οπτικών ινών πίεσης ή θερμοκρασίας, διάφοροι αισθητήρες συμβολόμετρων, χρήση LIDAR διαφορετικής απορρόφησης για ανίχνευση και παρακολούθηση αερίου και χρήση Doppler LIDAR για μέτρηση της ταχύτητας ανέμου. Ορισμένοι αισθητήρες οπτικών ινών απαιτούν εύρος γραμμής λέιζερ αρκετών kHz, ενώ στις μετρήσεις LIDAT αρκεί ένα πλάτος γραμμής 100 kHz.

2. Οι μετρήσεις οπτικής συχνότητας απαιτούν πολύ στενά πλάτη γραμμής πηγής, τα οποία απαιτούν τεχνικές σταθεροποίησης για να επιτευχθούν.

3. Τα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών έχουν σχετικά χαλαρές απαιτήσεις στο πλάτος γραμμής και χρησιμοποιούνται κυρίως για πομπούς ή για ανίχνευση ή μέτρηση.