Hoxe, introduciremos un láser "monocromático" ao extremo: láser de ancho de liña estreito. A súa aparición enche as lagoas en moitos campos de aplicación do láser, e nos últimos anos utilizouse amplamente na detección de ondas gravitacionais, liDAR, detección distribuída, comunicación óptica coherente de alta velocidade e outros campos, que é unha "misión" que non pode ser. completado só mellorando a potencia do láser.
Que é un láser de ancho de liña estreita?
O termo "ancho de liña" refírese ao ancho de liña espectral do láser no dominio da frecuencia, que normalmente se cuantifica en termos do ancho completo do medio pico do espectro (FWHM). O ancho de liña é afectado principalmente pola radiación espontánea de átomos ou ións excitados, ruído de fase, vibración mecánica do resonador, fluctuación de temperatura e outros factores externos. Canto menor sexa o valor da anchura da liña, maior será a pureza do espectro, é dicir, mellor será a monocromaticidade do láser. Os láseres con tales características adoitan ter moi pouco ruído de fase ou frecuencia e moi pouco ruído de intensidade relativa. Ao mesmo tempo, canto menor sexa o valor da anchura lineal do láser, máis forte será a coherencia correspondente, que se manifesta como unha lonxitude de coherencia extremadamente longa.
Realización e aplicación de láser de ancho de liña estreita
Limitado polo ancho de liña de ganancia inherente da substancia de traballo do láser, é case imposible realizar directamente a saída do láser de ancho de liña estreito confiando no propio oscilador tradicional. Para realizar o funcionamento do láser de ancho de liña estreita, adoita ser necesario usar filtros, reixas e outros dispositivos para limitar ou seleccionar o módulo lonxitudinal no espectro de ganancia, aumentar a diferenza de ganancia neta entre os modos lonxitudinais, de modo que haxa un poucas ou incluso só unha oscilación de modo lonxitudinal no resonador láser. Neste proceso, moitas veces é necesario controlar a influencia do ruído na saída do láser e minimizar o ensanchamento das liñas espectrais causada pola vibración e os cambios de temperatura do ambiente externo; Ao mesmo tempo, tamén se pode combinar coa análise da densidade espectral do ruído de fase ou frecuencia para comprender a fonte de ruído e optimizar o deseño do láser, para lograr unha saída estable do láser de ancho de liña estreita.
Vexamos a realización da operación de ancho de liña estreita de varias categorías diferentes de láseres.
Os láseres de semicondutores teñen as vantaxes de tamaño compacto, alta eficiencia, longa vida útil e beneficios económicos.
O resonador óptico Fabry-Perot (FP) usado no tradicionalláseres semicondutoresxeralmente oscila en modo multilongitudinal e o ancho da liña de saída é relativamente amplo, polo que é necesario aumentar a retroalimentación óptica para obter a saída de ancho de liña estreita.
A realimentación distribuída (DFB) e a reflexión Bragg distribuída (DBR) son dous láseres semicondutores de retroalimentación óptica interna típicos. Debido ao pequeno paso de reixa e á boa selectividade de lonxitude de onda, é fácil conseguir unha saída de liña estreita de frecuencia única estable. A principal diferenza entre as dúas estruturas é a posición da reixa: a estrutura DFB adoita distribuír a estrutura periódica da reixa de Bragg por todo o resonador, e o resonador do DBR adoita estar composto pola estrutura da reixa de reflexión e a rexión de ganancia integrada en a superficie final. Ademais, os láseres DFB usan reixas incrustadas con baixo índice de refracción de contraste e baixa reflectividade. Os láseres DBR usan reixas de superficie con alto índice de refracción de contraste e alta reflectividade. Ambas estruturas teñen un gran rango espectral libre e poden realizar axustes de lonxitude de onda sen salto de modo no rango duns poucos nanómetros, onde o láser DBR ten un rango de sintonización máis amplo que oLáser DFB. Ademais, a tecnoloxía de retroalimentación óptica da cavidade externa, que usa elementos ópticos externos para retroalimentar a luz saínte do chip láser semicondutor e seleccionar a frecuencia, tamén pode realizar a operación de ancho de liña estreita do láser semicondutor.
(2) Láseres de fibra
Os láseres de fibra teñen unha alta eficiencia de conversión da bomba, boa calidade do feixe e alta eficiencia de acoplamento, que son os temas de investigación candentes no campo do láser. No contexto da era da información, os láseres de fibra teñen unha boa compatibilidade cos sistemas de comunicación de fibra óptica actuais no mercado. O láser de fibra de frecuencia única coas vantaxes de ancho de liña estreita, baixo ruído e boa coherencia converteuse nunha das direccións importantes do seu desenvolvemento.
A operación en modo lonxitudinal único é o núcleo do láser de fibra para lograr unha saída de ancho de liña estreita, normalmente segundo a estrutura do resonador do láser de fibra de frecuencia única pódese dividir en tipo DFB, tipo DBR e tipo de anel. Entre eles, o principio de funcionamento dos láseres de fibra de frecuencia única DFB e DBR é semellante ao dos láseres semicondutores DFB e DBR.
Como se mostra na Figura 1, o láser de fibra DFB é escribir unha reixa de Bragg distribuída na fibra. Debido a que a lonxitude de onda de traballo do oscilador está afectada polo período da fibra, o modo lonxitudinal pódese seleccionar a través da retroalimentación distribuída da reixa. O resonador láser do láser DBR adoita estar formado por un par de reixas de Bragg de fibra, e o modo lonxitudinal único elíxese principalmente por reixas de Bragg de fibra de banda estreita e baixa reflectividade. Non obstante, debido ao seu longo resonador, á súa estrutura complexa e á falta de mecanismo de discriminación de frecuencia eficaz, a cavidade en forma de anel é propensa ao salto de modo e é difícil traballar de forma estable en modo lonxitudinal constante durante moito tempo.
Figura 1, Dúas estruturas lineais típicas de frecuencia únicaláseres de fibra
Hora de publicación: 27-novembro-2023