Täna tutvustame äärmuslikku "monokromaatilist" laserit – kitsa sirge laiusega laserit. Selle ilmumine täidab lüngad paljudes laserite rakendusvaldkondades ning viimastel aastatel on seda laialdaselt kasutatud gravitatsioonilainete tuvastamisel, liDAR-is, hajusandurites, kiire koherentse optilise side loomisel ja muudes valdkondades, mis on "missioon", mida ei saa täita ainult laseri võimsuse parandamisega.
Mis on kitsa joonlaiusega laser?
Mõiste „spektrijoone laius” viitab laseri spektraaljoone laiusele sagedusdomeenis, mida tavaliselt kvantifitseeritakse spektri poolpiigi täislaiusena (FWHM). Spektrijoone laiust mõjutavad peamiselt ergastatud aatomite või ioonide spontaanne kiirgus, faasimüra, resonaatori mehaaniline vibratsioon, temperatuurivärin ja muud välised tegurid. Mida väiksem on spektrijoone laiuse väärtus, seda suurem on spektri puhtus ehk seda parem on laseri monokromaatilisus. Selliste omadustega laseritel on tavaliselt väga vähe faasi- või sagedusmüra ja väga vähe suhtelise intensiivsuse müra. Samal ajal, mida väiksem on laseri lineaarse laiuse väärtus, seda tugevam on vastav koherentsus, mis avaldub äärmiselt pika koherentsuspikkusena.
Kitsa joonelaiusega laseri realiseerimine ja rakendamine
Laseri tööaine loomupärase võimendusjoone laiuse tõttu on kitsa joonlaiusega laseri väljundit peaaegu võimatu otse realiseerida traditsioonilise ostsillaatori abil. Kitsa joonlaiusega laseri töö teostamiseks on tavaliselt vaja kasutada filtreid, võresid ja muid seadmeid, et piirata või valida võimendusspektri pikisuunalist moodulit, suurendada pikisuunaliste moodide vahelist netovõimenduse erinevust, nii et laserresonaatoris oleks vähe või isegi ainult üks pikisuunaline moodi võnkumine. Selles protsessis on sageli vaja kontrollida müra mõju laseri väljundile ja minimeerida spektraaljoonte laienemist, mis on põhjustatud väliskeskkonna vibratsioonist ja temperatuurimuutustest. Samal ajal saab seda kombineerida ka faasi- või sagedusmüra spektraaltiheduse analüüsiga, et mõista müraallikat ja optimeerida laseri konstruktsiooni, et saavutada kitsa joonlaiusega laseri stabiilne väljund.
Vaatleme kitsa joonelaiuse töö realiseerimist mitme erineva laserikategooria puhul.
Pooljuhtlaserite eelised on kompaktne suurus, kõrge efektiivsus, pikk eluiga ja majanduslik kasu.
Traditsioonilises tehnikas kasutatav Fabry-Peroti (FP) optiline resonaatorpooljuhtlaseridüldiselt võngub mitme pikisuunalises režiimis ja väljundjoone laius on suhteliselt lai, seega on kitsa joone laiuse väljundi saamiseks vaja suurendada optilist tagasisidet.
Hajutatud tagasiside (DFB) ja hajutatud Braggi peegeldus (DBR) on kaks tüüpilist sisemist optilise tagasisidega pooljuhtlaserit. Tänu väikesele võre sammule ja heale lainepikkuse selektiivsusele on lihtne saavutada stabiilset ühesageduslikku kitsa joonelaiusega väljundit. Kahe struktuuri peamine erinevus seisneb võre asukohas: DFB struktuur jaotab tavaliselt Braggi võre perioodilise struktuuri kogu resonaatori ulatuses ning DBR-i resonaator koosneb tavaliselt peegeldusvõre struktuurist ja otspinnale integreeritud võimenduspiirkonnast. Lisaks kasutavad DFB-laserid manustatud võresid, millel on madal murdumisnäitaja kontrast ja madal peegelduvus. DBR-laserid kasutavad pinnavõresid, millel on kõrge murdumisnäitaja kontrast ja kõrge peegelduvus. Mõlemal struktuuril on suur vaba spektraalvahemik ja need suudavad teostada lainepikkuse häälestamist ilma moodihüppeta mõne nanomeetri vahemikus, kus DBR-laseril on laiem häälestusvahemik kui...DFB-laserLisaks võimaldab pooljuhtlaseri kitsa joonelaiusega toimimist välise õõnsusega optilise tagasiside tehnoloogia, mis kasutab pooljuhtlaserkiibi väljuva valguse tagasisidestamiseks ja sageduse valimiseks väliseid optilisi elemente.
(2) Kiudlaserid
Kiudlaseril on kõrge pumba muundamise efektiivsus, hea kiire kvaliteet ja kõrge sidestustõhusus, mis on laserivaldkonna kuumad uurimisteemad. Infoajastul on kiudlaseril hea ühilduvus turul olevate optiliste kiudsidesüsteemidega. Ühesageduslik kiudlaser, millel on kitsas joone laius, madal müratase ja hea koherentsus, on muutunud üheks oluliseks arendussuunaks.
Kiudlaseri tuumaks on kitsa joonelaiusega väljundi saavutamiseks ühesageduslik pikisuunaline töörežiim. Tavaliselt saab ühesagedusliku kiudlaseri resonaatori struktuuri järgi jagada DFB-, DBR- ja rõngastüüpi. Nende hulgas on DFB- ja DBR-ühesageduslike kiudlaserite tööpõhimõte sarnane DFB- ja DBR-pooljuhtlaserite tööpõhimõttega.
Nagu joonisel 1 näidatud, kirjutab DFB-kiudlaser kiule hajutatud Braggi võre. Kuna ostsillaatori töölainepikkust mõjutab kiu periood, saab pikisuunalise moodi valida võre hajutatud tagasiside kaudu. DBR-laseri laserresonaator koosneb tavaliselt kahest kiud-Braggi võrest ja üksik pikisuunaline moodi valitakse peamiselt kitsaribaliste ja madala peegeldusvõimega kiud-Braggi võrede abil. Pika resonaatori, keeruka struktuuri ja efektiivse sageduse diskrimineerimise mehhanismi puudumise tõttu on rõngakujuline õõnsus aga altid moodihüplemisele ning pikka aega konstantses pikisuunalises moodis stabiilselt töötada on keeruline.
Joonis 1. Kaks tüüpilist ühe sagedusega lineaarset struktuurikiudlaserid
Postituse aeg: 27. november 2023