Oggi vi presentiamo un laser "monocromatico" portato all'estremo: il laser a larghezza di riga stretta. La sua comparsa colma le lacune in molti campi di applicazione del laser e, negli ultimi anni, è stato ampiamente utilizzato nel rilevamento delle onde gravitazionali, nel liDAR, nel rilevamento distribuito, nella comunicazione ottica coerente ad alta velocità e in altri settori, una "missione" che non può essere portata a termine solo aumentando la potenza del laser.
Che cos'è un laser a larghezza di linea ridotta?
Il termine "larghezza di riga" si riferisce alla larghezza spettrale della riga laser nel dominio della frequenza, che viene solitamente quantificata in termini di larghezza a metà altezza dello spettro (FWHM). La larghezza di riga è influenzata principalmente dalla radiazione spontanea di atomi o ioni eccitati, dal rumore di fase, dalle vibrazioni meccaniche del risonatore, dalle variazioni di temperatura e da altri fattori esterni. Minore è il valore della larghezza di riga, maggiore è la purezza dello spettro, ovvero migliore è la monocromaticità del laser. I laser con tali caratteristiche presentano solitamente un rumore di fase o di frequenza molto basso e un rumore di intensità relativa molto basso. Allo stesso tempo, minore è il valore della larghezza lineare del laser, maggiore è la coerenza corrispondente, che si manifesta come una lunghezza di coerenza estremamente elevata.
Realizzazione e applicazione di laser a larghezza di linea ridotta
Limitato dalla larghezza di riga di guadagno intrinseca del materiale di lavoro del laser, è quasi impossibile realizzare direttamente l'emissione di un laser a larghezza di riga stretta affidandosi al tradizionale oscillatore. Per realizzare il funzionamento di un laser a larghezza di riga stretta, è solitamente necessario utilizzare filtri, reticoli e altri dispositivi per limitare o selezionare il modulo longitudinale nello spettro di guadagno, aumentare la differenza di guadagno netto tra i modi longitudinali, in modo che vi siano poche o addirittura una sola oscillazione del modo longitudinale nel risonatore laser. In questo processo, è spesso necessario controllare l'influenza del rumore sull'emissione laser e minimizzare l'allargamento delle linee spettrali causato dalle vibrazioni e dalle variazioni di temperatura dell'ambiente esterno; allo stesso tempo, è possibile anche combinare l'analisi della densità spettrale del rumore di fase o di frequenza per comprendere la fonte del rumore e ottimizzare la progettazione del laser, in modo da ottenere un'emissione stabile del laser a larghezza di riga stretta.
Analizziamo la realizzazione del funzionamento a larghezza di linea ridotta in diverse categorie di laser.
I laser a semiconduttore presentano i vantaggi di dimensioni compatte, elevata efficienza, lunga durata e benefici economici.
Il risonatore ottico Fabry-Perot (FP) utilizzato nella tradizionalelaser a semiconduttoreGeneralmente oscilla in modalità multi-longitudinale e la larghezza della linea di uscita è relativamente ampia, quindi è necessario aumentare il feedback ottico per ottenere un'uscita con larghezza di linea stretta.
Il feedback distribuito (DFB) e la riflessione di Bragg distribuita (DBR) sono due tipici laser a semiconduttore con feedback ottico interno. Grazie al piccolo passo del reticolo e alla buona selettività della lunghezza d'onda, è facile ottenere un'uscita stabile a frequenza singola e larghezza di riga stretta. La principale differenza tra le due strutture è la posizione del reticolo: la struttura DFB di solito distribuisce la struttura periodica del reticolo di Bragg in tutto il risonatore, mentre il risonatore del DBR è solitamente composto dalla struttura del reticolo di riflessione e dalla regione di guadagno integrata nella superficie terminale. Inoltre, i laser DFB utilizzano reticoli incorporati con basso contrasto dell'indice di rifrazione e bassa riflettività. I laser DBR utilizzano reticoli di superficie con alto contrasto dell'indice di rifrazione e alta riflettività. Entrambe le strutture hanno un ampio intervallo spettrale libero e possono eseguire la sintonizzazione della lunghezza d'onda senza salto di modo nell'intervallo di pochi nanometri, dove il laser DBR ha un intervallo di sintonizzazione più ampio rispetto al DBR.Laser DFBInoltre, la tecnologia di feedback ottico a cavità esterna, che utilizza elementi ottici esterni per retroazionare la luce in uscita dal chip laser a semiconduttore e selezionarne la frequenza, può anche realizzare il funzionamento a larghezza di riga ridotta del laser a semiconduttore.
(2) Laser a fibra
I laser a fibra presentano un'elevata efficienza di conversione della pompa, una buona qualità del fascio e un'elevata efficienza di accoppiamento, caratteristiche che li rendono temi di ricerca di grande attualità nel campo dei laser. Nell'era dell'informazione, i laser a fibra offrono una buona compatibilità con gli attuali sistemi di comunicazione in fibra ottica presenti sul mercato. Il laser a fibra a frequenza singola, grazie ai vantaggi di una larghezza di linea ridotta, basso rumore e buona coerenza, è diventato una delle principali direzioni di sviluppo.
Il funzionamento in modalità longitudinale singola è fondamentale per ottenere un'emissione a larghezza di linea ridotta nei laser a fibra. In genere, a seconda della struttura del risonatore, i laser a fibra a frequenza singola si distinguono in tipo DFB, tipo DBR e tipo ad anello. Tra questi, il principio di funzionamento dei laser a fibra a frequenza singola DFB e DBR è simile a quello dei laser a semiconduttore DFB e DBR.
Come mostrato in Figura 1, il laser a fibra DFB consiste nell'incidere un reticolo di Bragg distribuito sulla fibra. Poiché la lunghezza d'onda di lavoro dell'oscillatore è influenzata dal periodo della fibra, la modalità longitudinale può essere selezionata tramite il feedback distribuito del reticolo. Il risonatore laser del laser DBR è solitamente formato da una coppia di reticoli di Bragg in fibra, e la singola modalità longitudinale viene selezionata principalmente tramite reticoli di Bragg in fibra a banda stretta e bassa riflettività. Tuttavia, a causa del suo risonatore lungo, della struttura complessa e della mancanza di un efficace meccanismo di discriminazione di frequenza, la cavità ad anello è soggetta a salti di modo ed è difficile che funzioni stabilmente in modalità longitudinale costante per lungo tempo.
Figura 1, Due tipiche strutture lineari a frequenza singolalaser a fibra
Data di pubblicazione: 27 novembre 2023