Che cosa è unlaser a larghezza di linea stretta?
Laser a larghezza di linea stretta, il termine "larghezza di linea" si riferisce alla larghezza della linea spettrale dellasernel dominio della frequenza, che è solitamente quantificato in termini di larghezza di linea a metà picco (FWHM). 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 linea di guadagno intrinseca della sostanza di lavoro del laser, è quasi impossibile ottenere direttamente l'uscita del laser a larghezza di linea stretta affidandosi all'oscillatore tradizionale stesso. Per realizzare il funzionamento del laser a larghezza di linea 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 linea 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 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 una larghezza di linea stretta.
Il laser a retroazione distribuita (DFB) e il laser a riflessione di Bragg distribuita (DBR) sono due tipici laser a semiconduttore con retroazione ottica interna. 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 linea stretta. La principale differenza tra le due strutture è la posizione del reticolo: la struttura del laser 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 incorporati con basso contrasto dell'indice di rifrazione e bassa riflettività. I laser DBR utilizzano reticoli superficiali con elevato 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 al laser DBR.Laser 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 argomenti 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 sul mercato. Il laser a fibra a singola frequenza, con i suoi vantaggi di 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 fulcro del laser a fibra per ottenere un'uscita a larghezza di linea ridotta. Solitamente, in base alla struttura del risonatore, i laser a fibra a frequenza singola possono essere suddivisi 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.
Nel 1960, il primo laser a rubino al mondo fu un laser a stato solido, caratterizzato da un'elevata energia di uscita e da una più ampia copertura di lunghezze d'onda. La struttura spaziale unica del laser a stato solido lo rende più flessibile nella progettazione di linee di uscita a larghezza di linea stretta. Attualmente, i principali metodi implementati includono il metodo della cavità corta, il metodo della cavità ad anello unidirezionale, il metodo standard intracavità, il metodo della cavità a modo di pendolo di torsione, il metodo del reticolo di Bragg volumetrico e il metodo dell'iniezione di semi.
Data di pubblicazione: 03-06-2025