Opredelitev širine črte v laserjih

Širina črte laserja, zlasti enofrekvenčnega laserja, se nanaša na širino njegovega spektra (običajno polna širina na polovici maksimuma, FWHM). Natančneje, to je širina spektralne gostote moči sevanega električnega polja, izražena kot frekvenca, valovno število ali valovna dolžina. Širina črte laserja je tesno povezana s časovno koherenco in je označena s koherenčnim časom in koherenčno dolžino. Če je faza podvržena neomejenemu premiku, fazni šum prispeva k širini črte; tako je pri prostih oscilatorjih. (Fazna nihanja, omejena na zelo majhen fazni interval, povzročijo ničelno širino črte in nekaj stranskih pasov šuma.) Premiki v dolžini resonančne votline prav tako prispevajo k širini črte in jo naredijo odvisno od časa merjenja. To pomeni, da sama širina črte ali celo želena spektralna oblika (oblika črte) ne more zagotoviti vseh informacij o laserskem spektru.

II. Lasersko merjenje širine črte

Za merjenje laserske širine črte je mogoče uporabiti številne tehnike:

Ko je moč znotraj votline visoka, je izguba resonančne votline majhna in je čas kroženja resonančne votline dolg, ima kvantni šum (predvsem šum spontane emisije) laserja majhen vpliv. Klasični šum lahko povzročijo mehanska nihanja, ki jih je mogoče ublažiti z uporabo kompaktnega kratkega laserskega resonatorja. Vendar imajo lahko nihanja dolžine včasih močnejši učinek pri celo krajših resonatorjih. Pravilna mehanska zasnova lahko zmanjša sklop med laserskim resonatorjem in zunanjimi sevanji ter zmanjša učinke toplotnega odnašanja. Toplotna nihanja obstajajo tudi v ojačitvenem mediju, ki jih povzročajo nihanja moči črpalke. Za boljši učinek hrupa so potrebne druge aktivne stabilizacijske naprave, vendar so na začetku bolj zaželene praktične pasivne metode. Širina črte enofrekvenčnih polprevodniških laserjev in laserjev z vlakni je v območju 1-2 Hz, včasih celo pod 1 kHz. Metode aktivne stabilizacije lahko dosežejo širine črt pod 1 kHz. Širina črte laserskih diod je običajno v območju MHz, vendar se lahko zmanjša na kHz, na primer v diodnih laserjih z zunanjo votlino, zlasti tistih z optično povratno zvezo in visoko natančnimi referenčnimi votlinami.

2. Druga metoda je uporaba frekvenčnega diskriminatorja za pretvorbo frekvenčnih nihanj v intenzivnostna nihanja. Diskriminator je lahko neuravnotežen interferometer ali visoko natančna referenčna votlina. Ta metoda merjenja ima tudi omejeno ločljivost.

3. Enofrekvenčni laserji običajno uporabljajo samoheterodinsko metodo, ki beleži utrip med laserskim izhodom in lastno frekvenco po odmiku in zakasnitvi.

4. Za širine črt nekaj sto hercev so tradicionalne samoheterodinske tehnike nepraktične, ker zahtevajo veliko dolžino zakasnitve. Za podaljšanje te dolžine je mogoče uporabiti ciklično vlakneno zanko in vgrajeni vlakneni ojačevalnik.

5. Zelo visoko ločljivost je mogoče doseči s snemanjem utripov dveh neodvisnih laserjev, kjer je šum referenčnega laserja veliko nižji od hrupa testnega laserja ali pa so njune specifikacije delovanja podobne. Lahko se uporabi fazno zaklenjena zanka ali izračun trenutne frekvenčne razlike na podlagi matematičnih zapisov. Ta metoda je zelo preprosta in stabilna, vendar zahteva še en laser (deluje blizu frekvence testnega laserja). Če izmerjena širina črte zahteva širok spektralni razpon, je zelo priročen frekvenčni glavnik.

Meritve optične frekvence na neki točki pogosto zahtevajo določeno referenčno frekvenco (ali čas). Za laserje z ozko širino črte je potreben samo en referenčni žarek, da zagotovimo dovolj natančno referenco. Samoheterodinske tehnike pridobijo referenčno frekvenco z uporabo dovolj dolge časovne zakasnitve same preskusne nastavitve, pri čemer se v idealnem primeru izognejo časovni koherenci med začetnim žarkom in njegovim lastnim zakasnjenim žarkom. Zato se običajno uporabljajo dolga optična vlakna. Vendar pa dolga vlakna zaradi stabilnih nihanj in akustičnih učinkov povzročajo dodaten fazni šum.

Ko je prisoten šum frekvence 1/f, sama širina črte ne more v celoti opisati fazne napake. Boljši pristop je izmeriti Fourierjev spekter faznih ali trenutnih nihanj frekvence in ga nato označiti z uporabo spektralne gostote moči; se lahko sklicujete na kazalnike učinkovitosti hrupa. Šum 1/f (ali spekter šuma drugega nizkofrekvenčnega šuma) lahko povzroči nekatere težave pri merjenju.

III. Zmanjšanje laserske širine črte

Širina črte laserja je neposredno povezana z vrsto laserja. Zmanjšati ga je mogoče z optimizacijo zasnove laserja in zatiranjem zunanjih vplivov hrupa. Prvi korak je ugotoviti, ali prevladuje kvantni ali klasični šum, saj bo to vplivalo na nadaljnje meritve.

Ko je moč znotraj votline visoka, je izguba resonančne votline majhna in je čas kroženja resonančne votline dolg, ima kvantni šum (predvsem šum spontane emisije) laserja majhen vpliv. Klasični šum lahko povzročijo mehanska nihanja, ki jih je mogoče ublažiti z uporabo kompaktnega kratkega laserskega resonatorja. Vendar imajo lahko nihanja dolžine včasih močnejši učinek pri celo krajših resonatorjih. Pravilna mehanska zasnova lahko zmanjša sklop med laserskim resonatorjem in zunanjimi sevanji ter zmanjša učinke toplotnega odnašanja. Toplotna nihanja obstajajo tudi v ojačitvenem mediju, ki jih povzročajo nihanja moči črpalke. Za boljši učinek hrupa so potrebne druge aktivne stabilizacijske naprave, vendar so na začetku bolj zaželene praktične pasivne metode. Širina črte enofrekvenčnih polprevodniških laserjev in laserjev z vlakni je v območju 1-2 Hz, včasih celo pod 1 kHz. Metode aktivne stabilizacije lahko dosežejo širine črt pod 1 kHz. Širina črte laserskih diod je običajno v območju MHz, vendar se lahko zmanjša na kHz, na primer v diodnih laserjih z zunanjo votlino, zlasti tistih z optično povratno zvezo in visoko natančnimi referenčnimi votlinami.

IV. Težave zaradi ozkih širin črt

V nekaterih primerih zelo ozka širina žarka laserskega vira ni potrebna:

1. Ko je koherenčna dolžina velika, lahko koherenčni učinki (zaradi šibkih parazitskih odbojev) popačijo obliko žarka. 1. Pri laserskih projekcijskih zaslonih lahko pegasti učinki motijo ​​kakovost površine.

2. Ko se svetloba širi v aktivnih ali pasivnih optičnih vlaknih, lahko ozke širine črt povzročajo težave zaradi stimuliranega Brillouinovega sipanja. V takšnih primerih je treba povečati širino črte, na primer s hitrim zmanjševanjem prehodne frekvence laserske diode ali optičnega modulatorja z uporabo tokovne modulacije. Širina črte se uporablja tudi za opis širine optičnih prehodov (npr. laserskih prehodov ali nekaterih absorpcijskih značilnosti). Pri prehodih stacionarnega posameznega atoma ali iona je širina črte povezana z življenjsko dobo zgornjega energijskega stanja (natančneje z življenjsko dobo med zgornjim in nižjim energijskim stanjem) in se imenuje naravna širina črte. Gibanje (glej Dopplerjevo širjenje) ali interakcija atomov ali ionov lahko razširi širino črte, kot je širjenje tlaka v plinih ali fononske interakcije v trdnem mediju. Če na različne atome ali ione vplivamo različno, lahko pride do neenotnega širjenja.