Oggi presenteremo un laser "monocromatico" all'estremo: un laser a larghezza di linea stretta. La sua apparizione colma le lacune in molti campi applicativi del laser e, negli ultimi anni, è stato ampiamente utilizzato nella rilevazione di onde gravitazionali, nella tecnologia liDAR, nel rilevamento distribuito, nella comunicazione ottica coerente ad alta velocità e in altri campi, una "missione" che non può essere completata solo migliorando la potenza del laser.
Cos'è un laser a larghezza di linea stretta?
Il termine "larghezza di linea" si riferisce alla larghezza della linea spettrale del laser nel dominio della frequenza, che viene solitamente quantificata in termini di larghezza totale dello spettro (FWHM) a mezzo picco. La larghezza di linea è principalmente influenzata dalla radiazione spontanea di atomi o ioni eccitati, dal rumore di fase, dalle vibrazioni meccaniche del risonatore, dal jitter termico e da altri fattori esterni. Minore è il valore della larghezza di linea, 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 lunga.
Realizzazione e applicazione di laser a larghezza di linea stretta
Limitato dalla larghezza di riga di guadagno intrinseca della sostanza di lavoro del laser, è quasi impossibile ottenere direttamente l'uscita del laser a larghezza di riga stretta affidandosi all'oscillatore tradizionale stesso. Per realizzare il funzionamento del 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 di modo longitudinale nel risonatore laser. In questo processo, è spesso necessario controllare l'influenza del rumore sull'uscita del laser e ridurre al minimo l'allargamento delle linee spettrali causato dalle vibrazioni e dalle variazioni di temperatura dell'ambiente esterno; allo stesso tempo, può anche essere combinato con 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'uscita stabile del laser a larghezza di riga stretta.
Diamo un'occhiata alla realizzazione del funzionamento a larghezza di linea stretta di diverse categorie di laser.
I laser a semiconduttore presentano i vantaggi di dimensioni compatte, elevata efficienza, lunga durata e vantaggi economici.
Il risonatore ottico Fabry-Perot (FP) utilizzato nei sistemi tradizionalilaser a semiconduttoreoscilla generalmente in modalità multilongitudinale e la larghezza della linea di uscita è relativamente ampia, quindi è necessario aumentare il feedback ottico per ottenere un'uscita con una larghezza di linea stretta.
Il feedback distribuito (DFB) e il riflesso di Bragg distribuito (DBR) sono due tipici laser a semiconduttore con feedback ottico interno. Grazie al piccolo passo del reticolo e alla buona selettività in lunghezza d'onda, è facile ottenere un'uscita stabile a singola frequenza con larghezza di riga stretta. La principale differenza tra le due strutture è la posizione del reticolo: la struttura DFB solitamente distribuisce la struttura periodica del reticolo di Bragg lungo 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 integrati con basso contrasto dell'indice di rifrazione e bassa riflettività. I laser DBR utilizzano reticoli superficiali 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 salti di modo nell'intervallo di pochi nanometri, mentre il laser DBR ha un intervallo di sintonizzazione più ampio rispetto alLaser DFBInoltre, la tecnologia di feedback ottico a cavità esterna, che utilizza elementi ottici esterni per feedbackare la luce in uscita dal chip laser a semiconduttore e selezionare la frequenza, può anche realizzare il funzionamento a larghezza di linea stretta del laser a semiconduttore.
(2) Laser a fibra
I laser a fibra offrono un'elevata efficienza di conversione di pompaggio, una buona qualità del fascio e un'elevata efficienza di accoppiamento, che rappresentano temi di ricerca di grande attualità nel campo dei laser. Nell'era dell'informazione, i laser a fibra offrono un'ottima compatibilità con gli attuali sistemi di comunicazione in fibra ottica disponibili sul mercato. Il laser a fibra a singola frequenza, con i suoi 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 il cuore del laser a fibra per ottenere un'uscita a larghezza di linea ridotta. Generalmente, in base alla struttura del risonatore, i laser a fibra a singola frequenza possono essere suddivisi in tipo DFB, tipo DBR e tipo ad anello. Tra questi, il principio di funzionamento dei laser a fibra a singola frequenza DFB e DBR è simile a quello dei laser a semiconduttore DFB e DBR.
Come mostrato in Figura 1, il laser a fibra DFB è progettato per scrivere un reticolo di Bragg distribuito nella fibra. Poiché la lunghezza d'onda di lavoro dell'oscillatore è influenzata dal periodo della fibra, la modalità longitudinale può essere selezionata tramite la retroazione distribuita del reticolo. Il risonatore laser del laser DBR è solitamente costituito da una coppia di reticoli di Bragg in fibra, mentre la singola modalità longitudinale è selezionata principalmente da reticoli di Bragg in fibra a banda stretta e bassa riflettività. Tuttavia, a causa del suo lungo risonatore, della sua struttura complessa e della mancanza di un efficace meccanismo di discriminazione della frequenza, la cavità anulare è soggetta a salti di modalità, ed è difficile lavorare stabilmente in modalità longitudinale costante per lungo tempo.
Figura 1, Due tipiche strutture lineari di frequenza singolalaser a fibra
Data di pubblicazione: 27-11-2023