Lasery s úzkou šírkou čiary

Niektoré laserové aplikácie vyžadujú, aby mal laser veľmi úzku šírku čiary, to znamená úzke spektrum. Lasery s úzkou šírkou čiary sa vzťahujú na jednofrekvenčné lasery, to znamená, že v hodnote lasera je režim rezonančnej dutiny a fázový šum je veľmi nízky, takže spektrálna čistota je veľmi vysoká. Typicky majú takéto lasery veľmi nízku intenzitu šumu.

Najdôležitejšie typy laserov s úzkou šírkou čiary sú nasledovné:

1. Polovodičové lasery, laserové diódy s distribuovanou spätnou väzbou (DFB lasery) a distribuované Braggove odrazové lasery (DBR lasery), sa najčastejšie používajú v oblasti 1500 alebo 1000 nm. Typickými prevádzkovými parametrami sú výstupný výkon v desiatkach miliwattov (niekedy viac ako 100 miliwattov) a šírka linky niekoľko MHz.

2. Užšie šírky čiar možno získať polovodičovými lasermi, napríklad rozšírením rezonátora o jednovidové vlákno obsahujúce Braggovu mriežku s úzkopásmovým vláknom alebo použitím externého dutinového diódového lasera. Pomocou tejto metódy možno dosiahnuť ultra úzku šírku čiary niekoľko kHz alebo dokonca menej ako 1 kHz.

3. Malé vláknové lasery s distribuovanou spätnou väzbou (rezonátory vyrobené zo špeciálnych vláknových Braggových mriežok) môžu generovať výstupný výkon desiatok miliwattov so šírkami čiar v rozsahu kHz.

4. Pevnolátkové lasery čerpané diódami s nerovinnými prstencovými rezonátormi môžu tiež získať šírku čiary niekoľko kHz, pričom výstupný výkon je relatívne vysoký, rádovo 1W. Hoci typická vlnová dĺžka je 1064 nm, sú možné aj iné oblasti vlnových dĺžok, ako napríklad 1300 alebo 1500 nm.

Hlavné faktory ovplyvňujúce úzku šírku čiary laserov

Aby sa dosiahol laser s veľmi úzkou šírkou pásma žiarenia (šírka čiary), pri navrhovaní lasera je potrebné zvážiť nasledujúce faktory:

Po prvé, je potrebné dosiahnuť jednofrekvenčnú prevádzku. To sa dá ľahko dosiahnuť použitím zosilňovacieho média s malou šírkou pásma zosilnenia a krátkou dutinou lasera (výsledkom je veľký voľný spektrálny rozsah). Cieľom by mala byť dlhodobá stabilná jednofrekvenčná prevádzka bez preskakovania režimov.

Po druhé, vplyv vonkajšieho hluku je potrebné minimalizovať. Vyžaduje si to stabilné nastavenie rezonátora (monochromatické) alebo špeciálnu ochranu proti mechanickým vibráciám. Elektricky čerpané lasery musia používať nízkošumové prúdové alebo napäťové zdroje, zatiaľ čo opticky čerpané lasery musia mať nízku intenzitu šumu ako zdroj svetla čerpadla. Okrem toho je potrebné vyhnúť sa všetkým spätnoväzbovým svetelným vlnám, napríklad použitím Faradayových izolátorov. Vonkajší šum má teoreticky menší vplyv ako vnútorný hluk, ako napríklad spontánna emisia v zosilňovacom médiu. To sa dá ľahko dosiahnuť, keď je frekvencia hluku vysoká, ale keď je frekvencia hluku nízka, vplyv na šírku čiary je najdôležitejší.

Po tretie, návrh lasera je potrebné optimalizovať, aby sa minimalizoval laserový šum, najmä fázový šum. Uprednostňuje sa vysoký vnútrodutinový výkon a dlhé rezonátory, hoci stabilnú jednofrekvenčnú prevádzku je v tomto prípade ťažšie dosiahnuť.

Optimalizácia systému vyžaduje pochopenie dôležitosti rôznych zdrojov hluku, pretože sú potrebné rôzne merania v závislosti od dominantného zdroja hluku. Napríklad minimalizovaná šírka čiary podľa Schawlow-Townesovej rovnice nemusí nutne minimalizovať skutočnú šírku čiary, ak je skutočná šírka čiary určená mechanickým hlukom.

Hlukové charakteristiky a výkonové špecifikácie.

Šumové charakteristiky aj výkonové metriky laserov s úzkou šírkou čiary sú triviálne problémy. Rôzne meracie techniky sú diskutované v položke Šírka čiary, najmä šírky čiary niekoľko kHz alebo menej sú náročné. Okrem toho, iba ak vezmeme do úvahy hodnotu šírky čiary, nemôže poskytnúť všetky charakteristiky šumu; je potrebné poskytnúť úplné spektrum fázového šumu, ako aj informáciu o relatívnej intenzite šumu. Hodnotu šírky čiary je potrebné skombinovať aspoň s časom merania alebo inými informáciami, ktoré zohľadňujú dlhodobý frekvenčný posun.

Samozrejme, rôzne aplikácie majú rôzne požiadavky a akú úroveň indexu hluku je potrebné zvážiť v rôznych skutočných situáciách.

Aplikácie laserov s úzkou šírkou čiary

1. Veľmi dôležitá aplikácia je v oblasti snímania, ako sú snímače tlaku alebo teploty z optických vlákien, rôzne snímanie interferometrom, využívajúce rôzne absorpčné LIDAR na detekciu a sledovanie plynu a používanie Dopplerovho LIDARu na meranie rýchlosti vetra. Niektoré senzory z optických vlákien vyžadujú šírku laserovej čiary niekoľko kHz, zatiaľ čo pri meraniach LIDAT postačuje šírka čiary 100 kHz.

2. Merania optickej frekvencie vyžadujú veľmi úzke šírky čiar zdroja, čo si vyžaduje stabilizačné techniky.

3. Komunikačné systémy s optickými vláknami majú relatívne voľné požiadavky na šírku linky a používajú sa hlavne pre vysielače alebo na detekciu alebo meranie.