Oggi introdurremo un laser "monocromatico" all'estremo laser a larghezza di linea stretta. La sua emergenza riempie le lacune in molti campi di applicazione del laser e negli ultimi anni è stato ampiamente utilizzato nel rilevamento delle onde gravitazionali, lidar, rilevamento distribuito, comunicazione ottica coerente ad alta velocità e altri campi, che è una "missione" che non può essere completata solo migliorando il potere del laser.
Cos'è un laser a larghezza di linea stretta?
Il termine "larghezza della linea" si riferisce alla larghezza della linea spettrale del laser nel dominio di frequenza, che di solito è quantificato in termini di larghezza intera di mezza picchi dello spettro (FWHM). La larghezza di linea è influenzata principalmente dalla radiazione spontanea di atomi o ioni eccitati, rumore di fase, vibrazione meccanica del risonatore, jitter di temperatura e altri fattori esterni. Più piccolo è il valore della larghezza della linea, maggiore è la purezza dello spettro, cioè migliore è la monocromaticità del laser. I laser con tali caratteristiche di solito hanno un rumore di fase o frequenza molto ridotto e un rumore di intensità relativa molto ridotto. Allo stesso tempo, minore è il valore di larghezza lineare del laser, più forte è la corrispondente coerenza, che si manifesta come una lunghezza di coerenza estremamente lunga.
Realizzazione e applicazione del laser a larghezza di linea stretta
Limitato dalla larghezza di linea di guadagno intrinseca della sostanza di lavoro del laser, è quasi impossibile realizzare direttamente l'output del laser a larghezza di linea stretta facendo affidamento sul tradizionale oscillatore stesso. Al fine di realizzare il funzionamento del laser a larghezza di linea stretta, di solito è necessario utilizzare filtri, griglia e altri dispositivi per limitare o selezionare il modulo longitudinale nello spettro di guadagno, aumentare la differenza di guadagno netta tra le modalità longitudinali, in modo che ci siano alcuni o anche solo una sola oscillazione in modalità longitudinale nel risonatore del Laser. In questo processo, è spesso necessario controllare l'influenza del rumore sull'uscita laser e ridurre al minimo l'ampliamento delle linee spettrali causate dalle vibrazioni e dalle variazioni di temperatura dell'ambiente esterno; Allo stesso tempo, può anche essere combinato con l'analisi della densità spettrale di rumore di fase o di frequenza per comprendere la fonte di rumore e ottimizzare la progettazione del laser, in modo da ottenere un'uscita stabile del laser a larghezza di linea stretta.
Diamo un'occhiata alla realizzazione di un'operazione di larghezza di linea stretta di diverse categorie di laser.
I laser a semiconduttore hanno i vantaggi di dimensioni compatte, alta efficienza, lunga vita e benefici economici.
Il risonatore ottico Fabry-Perot (FP) utilizzato nel 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 l'output della larghezza della linea stretta.
Il feedback distribuito (DFB) e la riflessione di Bragg distribuita (DBR) sono due tipici laser a semiconduttore a semiconduttore di feedback ottico. A causa del piccolo tono di griglia e della buona selettività della lunghezza d'onda, è facile ottenere un output stabile a larghezza di linea stretta. La differenza principale tra le due strutture è la posizione della griglia: la struttura DFB di solito distribuisce la struttura periodica della griglia di Bragg attraverso il risonatore e il risonatore del DBR è generalmente composto dalla struttura della griglia di riflessione e dalla regione di guadagno integrata nella superficie finale. Inoltre, i laser DFB utilizzano reticoli incorporati con basso contrasto di indice di rifrazione e bassa riflettività. I laser DBR usano reticoli di superficie con elevato contrasto di indice di rifrazione e elevata riflettività. Entrambe le strutture hanno una vasta gamma spettrale libera e possono eseguire la sintonia della lunghezza d'onda senza salto in modalità nella gamma di alcuni nanometri, in cui il laser DBR ha un intervallo di accordatura più ampia rispetto alLaser DFB. Inoltre, la tecnologia di feedback ottico della cavità esterna, che utilizza elementi ottici esterni per feedback della luce in uscita del chip laser a semiconduttore e selezionare la frequenza, può anche realizzare il funzionamento della larghezza di linea stretta del laser a semiconduttore.
(2) laser in fibra
I laser in fibra hanno un'elevata efficienza di conversione della pompa, una buona qualità del raggio e un'elevata efficienza di accoppiamento, che sono gli argomenti di ricerca a caldo nel campo laser. Nel contesto dell'era dell'informazione, i laser in fibra hanno una buona compatibilità con gli attuali sistemi di comunicazione in fibra ottica sul mercato. Il laser in fibra a frequenza singola con i vantaggi della larghezza della linea stretta, il basso rumore e la buona coerenza è diventato una delle direzioni importanti del suo sviluppo.
Il funzionamento in modalità longitudinale singola è il nucleo del laser in fibra per ottenere un'uscita a larghezza di linea stretta, di solito secondo la struttura del risonatore del laser a fibra a frequenza singola può essere diviso in tipo DFB, tipo DBR e tipo di anello. Tra questi, il principio di lavoro dei laser a fibra a frequenza singola DFB e DBR è simile a quello dei laser a semiconduttore DFB e DBR.
Come mostrato nella Figura 1, il laser in fibra DFB deve scrivere Bragg distribuita nella fibra. Poiché la lunghezza d'onda di lavoro dell'oscillatore è influenzata dal periodo della fibra, la modalità longitudinale può essere selezionata attraverso il feedback distribuito della griglia. Il risonatore laser del laser DBR è generalmente formato da una coppia di reticoli di Bragg in fibra e la singola modalità longitudinale è selezionata principalmente da una fascia stretta e reticoli a bassa riflettività in fibra. Tuttavia, a causa del suo lungo risonatore, della struttura complessa e della mancanza di un efficace meccanismo di discriminazione in frequenza, la cavità a forma di anello è soggetta a salto in modalità ed è difficile lavorare stabilmente in modalità longitudinale costante per molto tempo.
Figura 1, due tipiche strutture lineari di singola frequenzalaser in fibra
Tempo post: novembre-27-2023