Ορισμός εύρους γραμμής στα λέιζερ

Το πλάτος γραμμής ενός λέιζερ, ειδικά ενός λέιζερ μονής συχνότητας, αναφέρεται στο πλάτος του φάσματος του (συνήθως πλήρες πλάτος στο μισό μέγιστο, FWHM). Πιο συγκεκριμένα, είναι το πλάτος της φασματικής πυκνότητας ισχύος του ακτινοβολούμενου ηλεκτρικού πεδίου, που εκφράζεται ως προς τη συχνότητα, τον αριθμό κύματος ή το μήκος κύματος. Το πλάτος γραμμής ενός λέιζερ σχετίζεται στενά με τη χρονική συνοχή και χαρακτηρίζεται από χρόνο συνοχής και μήκος συνοχής. Εάν η φάση υφίσταται μια απεριόριστη μετατόπιση, ο θόρυβος φάσης συμβάλλει στο πλάτος γραμμής. αυτό συμβαίνει με τους ελεύθερους ταλαντωτές. (Οι διακυμάνσεις φάσης που περιορίζονται σε ένα πολύ μικρό διάστημα φάσης παράγουν μηδενικό πλάτος γραμμής και ορισμένες πλευρικές ζώνες θορύβου.) Οι μετατοπίσεις στο μήκος της κοιλότητας συντονισμού συμβάλλουν επίσης στο πλάτος γραμμής και το καθιστούν εξαρτημένο από τον χρόνο μέτρησης. Αυτό δείχνει ότι το εύρος γραμμής μόνο, ή ακόμα και ένα επιθυμητό φασματικό σχήμα (γραμμική μορφή), δεν μπορεί να παρέχει τις πλήρεις πληροφορίες για το φάσμα του λέιζερ.

II. Μέτρηση εύρους γραμμής με λέιζερ

Πολλές τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση του εύρους γραμμής λέιζερ:

1. Όταν το πλάτος γραμμής είναι σχετικά μεγάλο (>10 GHz, όταν πολλαπλοί τρόποι ταλαντώνονται σε πολλαπλές κοιλότητες συντονισμού λέιζερ), μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα παραδοσιακό φασματόμετρο που χρησιμοποιεί ένα πλέγμα περίθλασης. Ωστόσο, είναι δύσκολο να επιτευχθεί ανάλυση υψηλής συχνότητας χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο.

2. Μια άλλη μέθοδος είναι η χρήση ενός διαχωριστή συχνότητας για τη μετατροπή των διακυμάνσεων συχνότητας σε διακυμάνσεις έντασης. Ο διαχωριστής μπορεί να είναι ένα μη ισορροπημένο συμβολόμετρο ή μια κοιλότητα αναφοράς υψηλής ακρίβειας. Αυτή η μέθοδος μέτρησης έχει επίσης περιορισμένη ανάλυση.

3. Τα λέιζερ μονής συχνότητας χρησιμοποιούν συνήθως μια μέθοδο αυτο-ετερόδυνης, η οποία καταγράφει τον ρυθμό μεταξύ της εξόδου λέιζερ και της δικής του συχνότητας μετά από μετατόπιση και καθυστέρηση.

4. Για πλάτη γραμμής αρκετών εκατοντάδων hertz, οι παραδοσιακές τεχνικές αυτο-ετερόδυνης δεν είναι πρακτικές επειδή απαιτούν μεγάλο μήκος καθυστέρησης. Ένας βρόχος κυκλικής ίνας και ένας ενσωματωμένος ενισχυτής ινών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επέκταση αυτού του μήκους.

5. Πολύ υψηλή ανάλυση μπορεί να επιτευχθεί καταγράφοντας τους παλμούς δύο ανεξάρτητων λέιζερ, όπου ο θόρυβος του λέιζερ αναφοράς είναι πολύ χαμηλότερος από αυτόν του δοκιμαστικού λέιζερ ή οι προδιαγραφές απόδοσης τους είναι παρόμοιες. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί βρόχος κλειδώματος φάσης ή υπολογισμός της στιγμιαίας διαφοράς συχνότητας με βάση μαθηματικές εγγραφές. Αυτή η μέθοδος είναι πολύ απλή και σταθερή, αλλά απαιτεί άλλο λέιζερ (που λειτουργεί κοντά στη συχνότητα του δοκιμαστικού λέιζερ). Εάν το μετρούμενο εύρος γραμμής απαιτεί ευρεία φασματική περιοχή, μια χτένα συχνότητας είναι πολύ βολική.

Οι μετρήσεις οπτικής συχνότητας απαιτούν συχνά μια συγκεκριμένη αναφορά συχνότητας (ή χρόνου) σε κάποιο σημείο. Για λέιζερ στενού εύρους γραμμής, χρειάζεται μόνο μία δέσμη αναφοράς για να παρέχει μια αρκετά ακριβή αναφορά. Οι τεχνικές αυτο-ετερόδυνης αποκτούν μια αναφορά συχνότητας εφαρμόζοντας μια αρκετά μεγάλη χρονική καθυστέρηση στην ίδια τη ρύθμιση δοκιμής, αποφεύγοντας ιδανικά τη χρονική συνοχή μεταξύ της αρχικής δέσμης και της δικής της καθυστερημένης δέσμης. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται συνήθως μακριές οπτικές ίνες. Ωστόσο, λόγω σταθερών διακυμάνσεων και ακουστικών επιδράσεων, οι μακριές ίνες εισάγουν πρόσθετο θόρυβο φάσης.

Όταν υπάρχει θόρυβος συχνότητας 1/f, το πλάτος γραμμής από μόνο του δεν μπορεί να περιγράψει πλήρως το σφάλμα φάσης. Μια καλύτερη προσέγγιση είναι η μέτρηση του φάσματος Fourier της φάσης ή των στιγμιαίων διακυμάνσεων συχνότητας και στη συνέχεια ο χαρακτηρισμός του χρησιμοποιώντας τη φασματική πυκνότητα ισχύος. μπορούν να αναφέρονται οι δείκτες απόδοσης θορύβου. Ο θόρυβος 1/f (ή το φάσμα θορύβου άλλων θορύβων χαμηλής συχνότητας) μπορεί να προκαλέσει ορισμένα προβλήματα μέτρησης.

III. Ελαχιστοποίηση του εύρους γραμμής λέιζερ

Το πλάτος γραμμής λέιζερ σχετίζεται άμεσα με τον τύπο λέιζερ. Μπορεί να ελαχιστοποιηθεί με τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του λέιζερ και την καταστολή των εξωτερικών επιρροών θορύβου. Το πρώτο βήμα είναι να προσδιοριστεί εάν ο κβαντικός ή ο κλασικός θόρυβος είναι κυρίαρχος, καθώς αυτό θα επηρεάσει τις επόμενες μετρήσεις.

Όταν η ισχύς της ενδοκοιλότητας είναι υψηλή, η απώλεια συντονισμού κοιλότητας είναι χαμηλή και ο χρόνος μετ' επιστροφής στην κοιλότητα συντονισμού είναι μεγάλος, ο κβαντικός θόρυβος (κυρίως αυθόρμητος θόρυβος εκπομπής) του λέιζερ έχει μικρή επίδραση. Ο κλασικός θόρυβος μπορεί να προκληθεί από μηχανικές διακυμάνσεις, οι οποίες μπορούν να μετριαστούν με τη χρήση ενός συμπαγούς, μικρού αντηχείου λέιζερ. Ωστόσο, οι διακυμάνσεις του μήκους μπορεί μερικές φορές να έχουν ισχυρότερη επίδραση σε ακόμη μικρότερους συντονιστές. Ο σωστός μηχανικός σχεδιασμός μπορεί να μειώσει τη σύζευξη μεταξύ του αντηχείου λέιζερ και των εξωτερικών ακτινοβολιών και επίσης να ελαχιστοποιήσει τις επιπτώσεις της θερμικής μετατόπισης. Υπάρχουν επίσης θερμικές διακυμάνσεις στο μέσο απολαβής, που προκαλούνται από διακυμάνσεις ισχύος της αντλίας. Για καλύτερη απόδοση θορύβου, χρειάζονται άλλες συσκευές ενεργητικής σταθεροποίησης, αλλά αρχικά προτιμώνται οι πρακτικές παθητικές μέθοδοι. Τα πλάτη γραμμής των λέιζερ στερεάς κατάστασης μονής συχνότητας και των λέιζερ ινών είναι στην περιοχή 1-2 Hz, μερικές φορές ακόμη και κάτω από 1 kHz. Οι μέθοδοι ενεργής σταθεροποίησης μπορούν να επιτύχουν πλάτη γραμμής κάτω από 1 kHz. Τα πλάτη γραμμής των διόδων λέιζερ είναι τυπικά στην περιοχή MHz, αλλά μπορούν να μειωθούν σε kHz, για παράδειγμα, σε λέιζερ διόδων εξωτερικής κοιλότητας, ειδικά σε αυτά με οπτική ανάδραση και κοιλότητες αναφοράς υψηλής ακρίβειας.

IV. Προβλήματα που προκύπτουν από στενά πλάτη γραμμής

Σε ορισμένες περιπτώσεις, δεν είναι απαραίτητο ένα πολύ στενό πλάτος δέσμης από την πηγή λέιζερ:

1. Όταν το μήκος συνοχής είναι μεγάλο, τα φαινόμενα συνοχής (λόγω αδύναμων παρασιτικών ανακλάσεων) μπορεί να παραμορφώσουν το σχήμα της δέσμης. 1. Στις οθόνες προβολής λέιζερ, τα εφέ κηλίδων μπορεί να επηρεάσουν την ποιότητα της επιφάνειας.

2. Όταν το φως διαδίδεται σε ενεργές ή παθητικές οπτικές ίνες, τα στενά πλάτη γραμμής μπορεί να προκαλέσουν προβλήματα λόγω της διεγερμένης σκέδασης Brillouin. Σε τέτοιες περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να αυξηθεί το πλάτος γραμμής, για παράδειγμα, με ταχεία πρόσμειξη της μεταβατικής συχνότητας μιας διόδου λέιζερ ή ενός οπτικού διαμορφωτή χρησιμοποιώντας τη διαμόρφωση ρεύματος. Το πλάτος γραμμής χρησιμοποιείται επίσης για να περιγράψει το πλάτος των οπτικών μεταβάσεων (π.χ. μεταβάσεις λέιζερ ή ορισμένα χαρακτηριστικά απορρόφησης). Στις μεταβάσεις ενός στατικού απλού ατόμου ή ιόντος, το πλάτος γραμμής σχετίζεται με τη διάρκεια ζωής της ανώτερης ενεργειακής κατάστασης (ακριβέστερα, η διάρκεια ζωής μεταξύ της ανώτερης και κατώτερης ενεργειακής κατάστασης) και ονομάζεται φυσικό πλάτος γραμμής. Η κίνηση (βλ. Διεύρυνση Doppler) ή η αλληλεπίδραση ατόμων ή ιόντων μπορεί να διευρύνει το πλάτος γραμμής, όπως η διεύρυνση της πίεσης στα αέρια ή οι αλληλεπιδράσεις φωνονίων σε στερεά μέσα. Εάν διαφορετικά άτομα ή ιόντα επηρεάζονται διαφορετικά, μπορεί να συμβεί μη ομοιόμορφη διεύρυνση.