Laserji z ozko širino črte

Nekatere laserske aplikacije zahtevajo, da ima laser zelo ozko širino črte, to je ozek spekter. Laserji z ozko širino črte se nanašajo na enofrekvenčne laserje, kar pomeni, da je v laserski vrednosti način resonančne votline, fazni šum pa je zelo nizek, zato je spektralna čistost zelo visoka. Običajno imajo takšni laserji zelo nizek šum.

Najpomembnejše vrste laserjev z ozko črto so naslednje:

1. Polprevodniški laserji, laserske diode s porazdeljeno povratno zvezo (DFB laserji) in porazdeljeni Braggovi refleksijski laserji (DBR laserji) se najpogosteje uporabljajo v območju 1500 ali 1000 nm. Tipični parametri delovanja so izhodna moč več deset milivatov (včasih več kot 100 milivatov) in širina črte več MHz.

2. Ožje širine črt je mogoče doseči s polprevodniškimi laserji, na primer z razširitvijo resonatorja z enomodnim vlaknom, ki vsebuje Braggovo mrežo ozkopasovnih vlaken, ali z uporabo diodnega laserja z zunanjo votlino. S to metodo je mogoče doseči izjemno ozko širino črte nekaj kHz ali celo manj kot 1 kHz.

3. Majhni vlakneni laserji s porazdeljeno povratno zvezo (resonatorji iz posebnih vlaknenih Braggovih rešetk) lahko ustvarijo izhodne moči več deset milivatov s širinami črt v območju kHz.

4. Polprevodniški laserji z diodnim črpanjem in neplanarnimi obročnimi resonatorji lahko dosežejo tudi širino črte nekaj kHz, medtem ko je izhodna moč relativno visoka, reda velikosti 1 W. Čeprav je tipična valovna dolžina 1064 nm, so možna tudi druga območja valovnih dolžin, kot sta 1300 ali 1500 nm.

Glavni dejavniki, ki vplivajo na ozko širino črte laserjev

Da bi dosegli laser z zelo ozko pasovno širino sevanja (širino črte), je treba pri načrtovanju laserja upoštevati naslednje dejavnike:

Najprej je treba doseči enofrekvenčno delovanje. To je enostavno doseči z uporabo ojačevalnega medija z majhno pasovno širino ojačenja in kratko lasersko votlino (kar ima za posledico veliko prosto spektralno območje). Cilj mora biti dolgoročno stabilno enofrekvenčno delovanje brez preskakovanja načina.

Drugič, vpliv zunanjega hrupa je treba čim bolj zmanjšati. To zahteva stabilno nastavitev resonatorja (enobarvno) ali posebno zaščito pred mehanskimi vibracijami. Laserji z električnim črpanjem morajo uporabljati tokovne ali napetostne vire z nizko stopnjo šuma, medtem ko morajo imeti laserji z optično črpalko hrup nizke intenzivnosti kot vir svetlobe črpalke. Poleg tega se je treba izogibati vsem povratnim svetlobnim valovom, na primer z uporabo Faradayevih izolatorjev. V teoriji ima zunanji hrup manjši vpliv kot notranji hrup, kot je spontana emisija v ojačevalnem mediju. To je enostavno doseči, ko je frekvenca šuma visoka, ko pa je frekvenca šuma nizka, je vpliv na širino črte najpomembnejši.

Tretjič, lasersko zasnovo je treba optimizirati za zmanjšanje laserskega šuma, zlasti faznega šuma. Zaželeni so velika intrakavitetna moč in dolgi resonatorji, čeprav je v tem primeru težje doseči stabilno enofrekvenčno delovanje.

Optimizacija sistema zahteva razumevanje pomena različnih virov hrupa, saj so potrebne različne meritve glede na prevladujoči vir hrupa. Na primer, širina črte, minimizirana v skladu s Schawlow-Townesovo enačbo, ne zmanjša nujno dejanske širine črte, če je dejanska širina črte določena z mehanskim šumom.

Značilnosti hrupa in specifikacije delovanja.

Tako značilnosti hrupa kot meritve učinkovitosti laserjev z ozko širino črte so trivialne težave. Različne merilne tehnike so obravnavane v vnosu Širina črte, zlasti so zahtevne širine črt nekaj kHz ali manj. Poleg tega samo upoštevanje vrednosti širine črte ne more dati vseh značilnosti šuma; podati je treba celoten spekter faznega šuma, pa tudi informacije o šumu relativne intenzivnosti. Vrednost širine črte je treba združiti vsaj z merilnim časom ali drugimi informacijami, ki upoštevajo dolgoročni premik frekvence.

Seveda imajo različne aplikacije različne zahteve in kakšno raven indeksa hrupa je treba upoštevati v različnih dejanskih situacijah.

Uporaba ozkoširinskih laserjev

1. Zelo pomembna uporaba je na področju zaznavanja, kot so senzorji tlaka ali temperature iz optičnih vlaken, različno zaznavanje interferometrov, uporaba različnih absorpcijskih LIDAR za zaznavanje in sledenje plinom ter uporaba Doppler LIDAR za merjenje hitrosti vetra. Nekateri senzorji z optičnimi vlakni zahtevajo lasersko širino črte več kHz, medtem ko pri meritvah LIDAT zadostuje širina črte 100 kHz.

2. Meritve optične frekvence zahtevajo zelo ozke širine črt vira, kar zahteva stabilizacijske tehnike.

3. Komunikacijski sistemi z optičnimi vlakni imajo razmeroma ohlapne zahteve glede širine linije in se večinoma uporabljajo za oddajnike ali za zaznavanje ali merjenje.