Oggi introdurremo un laser “monocromatico” estremo: laser a larghezza di linea ridotta. La sua comparsa colma le lacune in molti campi di applicazione del laser e negli ultimi anni è stato ampiamente utilizzato nel rilevamento di onde gravitazionali, liDAR, rilevamento distribuito, comunicazione ottica coerente ad alta velocità e altri campi, che è una "missione" che non può essere completato solo migliorando la potenza 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 della frequenza, che di solito viene quantificata in termini di metà picco dell’intera larghezza 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 termico e altri fattori esterni. Minore è il valore della larghezza della linea, maggiore è la purezza dello spettro, ovvero migliore è la monocromaticità del laser. I laser con tali caratteristiche solitamente hanno pochissimo rumore di fase o di frequenza e pochissimo rumore di intensità relativa. Allo stesso tempo, quanto più piccolo è il valore della larghezza lineare del laser, tanto più forte 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 linea del guadagno intrinseco della sostanza di lavoro del laser, è quasi impossibile realizzare direttamente l'uscita del laser a larghezza di linea stretta facendo affidamento sull'oscillatore tradizionale stesso. Per realizzare il funzionamento del laser a larghezza di linea stretta, di solito è necessario utilizzare filtri, reticoli 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 sia un poche o anche solo una oscillazione del 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 linea stretta.
Diamo un'occhiata alla realizzazione del funzionamento a larghezza di linea ridotta di diverse categorie di laser.
I laser a semiconduttore presentano i vantaggi di dimensioni compatte, alta efficienza, lunga durata e vantaggi economici.
Il risuonatore ottico Fabry-Perot (FP) utilizzato in 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 larghezza di linea stretta a frequenza singola. La differenza principale tra le due strutture è la posizione del reticolo: la struttura DFB solitamente 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 nel reticolo. la superficie finale. Inoltre, i laser DFB utilizzano reticoli incorporati con contrasto a basso indice di rifrazione e bassa riflettività. I laser DBR utilizzano reticoli superficiali con elevato indice di rifrazione, contrasto ed elevata riflettività. Entrambe le strutture hanno un ampio intervallo spettrale libero e possono eseguire la sintonizzazione della lunghezza d'onda senza salto modale nell'intervallo di pochi nanometri, dove il laser DBR ha un intervallo di sintonizzazione più ampio rispetto al laser DBR.Laser DFB. Inoltre, la tecnologia di feedback ottico della cavità esterna, che utilizza elementi ottici esterni per feedback la luce in uscita del chip laser a semiconduttore e seleziona la frequenza, può anche realizzare il funzionamento a larghezza di linea ridotta del laser a semiconduttore.
(2) Laser a fibra
I laser a fibra hanno un'elevata efficienza di conversione della pompa, una buona qualità del raggio e un'elevata efficienza di accoppiamento, che sono i temi di ricerca più importanti nel campo dei laser. Nel contesto dell'era dell'informazione, i laser a fibra hanno una buona compatibilità con gli attuali sistemi di comunicazione in fibra ottica presenti sul mercato. Il laser a fibra a frequenza singola con i vantaggi di larghezza della linea stretta, basso rumore e buona coerenza è diventato una delle direzioni importanti del suo sviluppo.
Il funzionamento in modalità longitudinale singola è il nucleo del laser a fibra per ottenere un'uscita con larghezza di linea ridotta, solitamente in base alla struttura del risonatore del laser a fibra a frequenza singola può essere suddiviso 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 nella Figura 1, il laser a fibra DFB deve 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 attraverso il feedback distribuito del reticolo. Il risonatore laser del laser DBR è solitamente formato da una coppia di reticoli in fibra di Bragg e la modalità longitudinale singola è selezionata principalmente da reticoli in fibra di Bragg a banda stretta e a bassa riflettività. Tuttavia, a causa del suo lungo risonatore, della struttura complessa e della mancanza di un efficace meccanismo di discriminazione della frequenza, la cavità a forma di anello è soggetta al salto di modalità ed è difficile lavorare stabilmente in modalità longitudinale costante per lungo tempo.
Figura 1, Due tipiche strutture lineari di singola frequenzalaser a fibra
Orario di pubblicazione: 27 novembre 2023