Definícia šírky čiary v laseroch

Šírka čiary lasera, najmä jednofrekvenčného lasera, sa vzťahuje na šírku jeho spektra (zvyčajne plná šírka v polovici maxima, FWHM). Presnejšie povedané, je to šírka spektrálnej hustoty výkonu vyžarovaného elektrického poľa, vyjadrená frekvenciou, vlnovým číslom alebo vlnovou dĺžkou. Šírka čiary lasera úzko súvisí s časovou koherenciou a je charakterizovaná dobou koherencie a dĺžkou koherencie. Ak fáza prechádza neobmedzeným posunom, fázový šum prispieva k šírke linky; to je prípad voľných oscilátorov. (Fázové fluktuácie obmedzené na veľmi malý fázový interval vytvárajú nulovú šírku čiary a určité postranné pásma šumu.) Posuny v dĺžke rezonančnej dutiny tiež prispievajú k šírke čiary a robia ju závislou od času merania. To naznačuje, že samotná šírka čiary alebo dokonca požadovaný spektrálny tvar (tvar čiary) nemôže poskytnúť úplné informácie o spektre lasera.

II. Laserové meranie šírky čiary

Na meranie šírky laserovej čiary možno použiť mnoho techník:

1. Keď je šírka čiary relatívne veľká (>10 GHz, keď vo viacerých laserových rezonančných dutinách osciluje viacero režimov), možno ju merať pomocou tradičného spektrometra využívajúceho difrakčnú mriežku. Pomocou tejto metódy je však ťažké získať vysokofrekvenčné rozlíšenie.

2. Ďalšou metódou je použitie frekvenčného diskriminátora na premenu frekvenčných výkyvov na kolísanie intenzity. Diskriminátorom môže byť nevyvážený interferometer alebo vysoko presná referenčná dutina. Táto metóda merania má tiež obmedzené rozlíšenie.

3. Jednofrekvenčné lasery zvyčajne používajú samo-heterodynnú metódu, ktorá zaznamenáva tep medzi výstupom lasera a jeho vlastnou frekvenciou po posune a oneskorení.

FP/DFB Laser Diodo koaxialak: 1270-1610nm uhin-luzerak, DWDM uhin-luzerak hautagarriak, irteerako potentzia-aukerak 2mW, 4mW, 7mW, monitorizazio integratua PD, aukerako TEC integratua, funtzionamendu-tenperatura-tarte zabala, kable bidezko telebista transmisiorako, argi-iturri optiko analogikoetarako egokia.

5. Veľmi vysoké rozlíšenie je možné dosiahnuť zaznamenávaním úderov dvoch nezávislých laserov, kde je hluk referenčného lasera oveľa nižší ako u testovacieho lasera, alebo sú ich výkonové špecifikácie podobné. Môže sa použiť slučka fázového závesu alebo výpočet okamžitého frekvenčného rozdielu na základe matematických záznamov. Táto metóda je veľmi jednoduchá a stabilná, ale vyžaduje si ďalší laser (pracujúci blízko frekvencie testovacieho lasera). Ak meraná šírka čiary vyžaduje široký spektrálny rozsah, je veľmi vhodný frekvenčný hrebeň.

Merania optickej frekvencie si v určitom bode často vyžadujú špecifickú referenciu frekvencie (alebo času). Pre lasery s úzkou šírkou je potrebný iba jeden referenčný lúč na poskytnutie dostatočne presnej referencie. Samo-heterodynné techniky získajú frekvenčnú referenciu aplikáciou dostatočne dlhého časového oneskorenia na samotné nastavenie testu, v ideálnom prípade sa vyhnú časovej koherencii medzi počiatočným lúčom a jeho vlastným oneskoreným lúčom. Preto sa zvyčajne používajú dlhé optické vlákna. V dôsledku stabilných výkyvov a akustických efektov však dlhé vlákna zavádzajú dodatočný fázový šum.

Keď je prítomný frekvenčný šum 1/f, samotná šírka čiary nemôže úplne opísať fázovú chybu. Lepším prístupom je merať Fourierovo spektrum fázových alebo okamžitých frekvenčných fluktuácií a potom ho charakterizovať pomocou výkonovej spektrálnej hustoty; je možné odkázať na ukazovatele hlučnosti. Šum 1/f (alebo šumové spektrum iného nízkofrekvenčného šumu) môže spôsobiť určité problémy s meraním.

III. Minimalizácia šírky laserovej čiary

Šírka laserovej čiary priamo súvisí s typom lasera. Dá sa minimalizovať optimalizáciou konštrukcie lasera a potlačením vonkajších hlukových vplyvov. Prvým krokom je určiť, či je dominantný kvantový šum alebo klasický šum, pretože to ovplyvní následné merania.

Keď je výkon vnútri dutiny vysoký, strata rezonančnej dutiny je nízka a doba obehu rezonančnej dutiny je dlhá, kvantový šum (hlavne šum spontánnej emisie) lasera má malý vplyv. Klasický hluk môže byť spôsobený mechanickými výkyvmi, ktoré je možné zmierniť použitím kompaktného krátkeho laserového rezonátora. Avšak kolísanie dĺžky môže mať niekedy silnejší účinok v ešte kratších rezonátoroch. Správna mechanická konštrukcia môže znížiť väzbu medzi laserovým rezonátorom a vonkajším žiarením a tiež minimalizovať účinky tepelného driftu. Tepelné výkyvy existujú aj v zosilňovacom médiu, spôsobené kolísaním výkonu čerpadla. Pre lepší výkon hluku sú potrebné ďalšie aktívne stabilizačné zariadenia, ale spočiatku sú vhodnejšie praktické pasívne metódy. Šírka čiar jednofrekvenčných pevnolátkových laserov a vláknových laserov je v rozsahu 1-2 Hz, niekedy dokonca pod 1 kHz. Aktívne metódy stabilizácie môžu dosiahnuť šírky čiar pod 1 kHz. Šírka čiar laserových diód je zvyčajne v rozsahu MHz, ale môže byť znížená na kHz, napríklad v diódových laseroch s vonkajšou dutinou, najmä tých s optickou spätnou väzbou a vysoko presnými referenčnými dutinami.

IV. Problémy vyplývajúce z úzkych šírok čiar

V niektorých prípadoch nie je potrebná veľmi úzka šírka lúča zo zdroja lasera:

1. Keď je dĺžka koherencie dlhá, účinky koherencie (v dôsledku slabých parazitných odrazov) môžu deformovať tvar lúča. 1. Pri laserových projekčných displejoch môžu efekty škvŕn narušiť kvalitu povrchu.

2. Keď sa svetlo šíri v aktívnych alebo pasívnych optických vláknach, úzke šírky čiar môžu spôsobiť problémy v dôsledku stimulovaného Brillouinovho rozptylu. V takýchto prípadoch je potrebné zväčšiť šírku čiary, napríklad rýchlym ditheringom prechodovej frekvencie laserovej diódy alebo optického modulátora pomocou modulácie prúdu. Šírka čiary sa používa aj na opis šírky optických prechodov (napr. laserových prechodov alebo niektorých absorpčných charakteristík). Pri prechodoch stacionárneho jednotlivého atómu alebo iónu sa šírka čiary vzťahuje na životnosť horného energetického stavu (presnejšie, životnosť medzi hornými a dolnými energetickými stavmi) a nazýva sa prirodzená šírka čiary. Pohyb (pozri Dopplerovo rozšírenie) alebo interakcia atómov alebo iónov môže rozšíriť šírku čiary, ako je rozšírenie tlaku v plynoch alebo fonónové interakcie v pevných médiách. Ak sú rôzne atómy alebo ióny ovplyvnené odlišne, môže dôjsť k nerovnomernému rozšíreniu.