Hari ini, kita akan memperkenalkan laser "monokromatik" kepada laser lebar garis yang ekstrem – sempit. Kemunculannya mengisi jurang dalam banyak bidang aplikasi laser, dan dalam beberapa tahun kebelakangan ini telah digunakan secara meluas dalam pengesanan gelombang graviti, liDAR, penderiaan teragih, komunikasi optik koheren berkelajuan tinggi dan bidang lain, yang merupakan "misi" yang tidak dapat diselesaikan hanya dengan meningkatkan kuasa laser.
Apakah laser lebar garis sempit?
Istilah "lebar garis" merujuk kepada lebar garis spektrum laser dalam domain frekuensi, yang biasanya diukur dari segi lebar penuh separuh puncak spektrum (FWHM). Lebar garis dipengaruhi terutamanya oleh sinaran spontan atom atau ion yang teruja, hingar fasa, getaran mekanikal resonator, jitter suhu dan faktor luaran yang lain. Semakin kecil nilai lebar garis, semakin tinggi ketulenan spektrum, iaitu, semakin baik monokromatik laser. Laser dengan ciri-ciri sedemikian biasanya mempunyai hingar fasa atau frekuensi yang sangat sedikit dan hingar intensiti relatif yang sangat sedikit. Pada masa yang sama, semakin kecil nilai lebar linear laser, semakin kuat koheren yang sepadan, yang ditunjukkan sebagai panjang koheren yang sangat panjang.
Realisasi dan aplikasi laser lebar garis sempit
Dihadkan oleh lebar garis gandaan semula jadi bahan kerja laser, hampir mustahil untuk merealisasikan output laser lebar garisan sempit secara langsung dengan bergantung pada pengayun tradisional itu sendiri. Untuk merealisasikan operasi laser lebar garisan sempit, biasanya perlu menggunakan penapis, parut dan peranti lain untuk mengehadkan atau memilih modulus membujur dalam spektrum gandaan, meningkatkan perbezaan gandaan bersih antara mod membujur, supaya terdapat beberapa atau hanya satu ayunan mod membujur dalam resonator laser. Dalam proses ini, selalunya perlu mengawal pengaruh hingar pada output laser, dan meminimumkan peluasan garisan spektrum yang disebabkan oleh perubahan getaran dan suhu persekitaran luaran; Pada masa yang sama, ia juga boleh digabungkan dengan analisis ketumpatan spektrum hingar fasa atau frekuensi untuk memahami sumber hingar dan mengoptimumkan reka bentuk laser, untuk mencapai output laser lebar garisan sempit yang stabil.
Mari kita lihat realisasi operasi lebar garis sempit bagi beberapa kategori laser yang berbeza.
Laser semikonduktor mempunyai kelebihan saiz padat, kecekapan tinggi, jangka hayat yang panjang dan faedah ekonomi.
Resonator optik Fabry-Perot (FP) yang digunakan dalam tradisionallaser semikonduktorSecara amnya berayun dalam mod berbilang membujur, dan lebar garisan output agak lebar, jadi perlu meningkatkan maklum balas optik untuk mendapatkan output lebar garisan sempit.
Maklum balas teragih (DFB) dan pantulan Bragg teragih (DBR) adalah dua laser semikonduktor maklum balas optik dalaman yang tipikal. Disebabkan oleh pic parut yang kecil dan selektiviti panjang gelombang yang baik, mudah untuk mencapai output lebar garis sempit frekuensi tunggal yang stabil. Perbezaan utama antara kedua-dua struktur ini ialah kedudukan parut: struktur DFB biasanya mengagihkan struktur berkala parut Bragg ke seluruh resonator, dan resonator DBR biasanya terdiri daripada struktur parut pantulan dan kawasan gandaan yang disepadukan ke dalam permukaan hujung. Di samping itu, laser DFB menggunakan parut terbenam dengan kontras indeks biasan rendah dan pantulan rendah. Laser DBR menggunakan parut permukaan dengan kontras indeks biasan tinggi dan pantulan tinggi. Kedua-dua struktur mempunyai julat spektrum bebas yang besar dan boleh melakukan penalaan panjang gelombang tanpa lompatan mod dalam julat beberapa nanometer, di mana laser DBR mempunyai julat penalaan yang lebih luas daripadaLaser DFBDi samping itu, teknologi maklum balas optik rongga luaran, yang menggunakan elemen optik luaran untuk memberi maklum balas cahaya keluar cip laser semikonduktor dan memilih frekuensi, juga boleh merealisasikan operasi lebar garis sempit laser semikonduktor.
(2) Laser gentian
Laser gentian mempunyai kecekapan penukaran pam yang tinggi, kualiti pancaran yang baik dan kecekapan gandingan yang tinggi, yang merupakan topik penyelidikan hangat dalam bidang laser. Dalam konteks era maklumat, laser gentian mempunyai keserasian yang baik dengan sistem komunikasi gentian optik semasa di pasaran. Laser gentian frekuensi tunggal dengan kelebihan lebar garisan sempit, hingar yang rendah dan koheren yang baik telah menjadi salah satu hala tuju penting dalam perkembangannya.
Operasi mod membujur tunggal adalah teras laser gentian untuk mencapai output lebar garisan sempit, biasanya mengikut struktur resonator laser gentian frekuensi tunggal boleh dibahagikan kepada jenis DFB, jenis DBR dan jenis cincin. Antaranya, prinsip kerja laser gentian frekuensi tunggal DFB dan DBR adalah serupa dengan laser semikonduktor DFB dan DBR.
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, laser gentian DFB adalah untuk menulis parutan Bragg teragih ke dalam gentian. Oleh kerana panjang gelombang kerja pengayun dipengaruhi oleh tempoh gentian, mod membujur boleh dipilih melalui maklum balas teragih parutan. Resonator laser laser DBR biasanya dibentuk oleh sepasang parutan Bragg gentian, dan mod membujur tunggal terutamanya dipilih oleh jalur sempit dan parutan Bragg gentian pemantulan rendah. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh resonatornya yang panjang, struktur yang kompleks dan kekurangan mekanisme diskriminasi frekuensi yang berkesan, rongga berbentuk cincin terdedah kepada lompatan mod, dan sukar untuk berfungsi secara stabil dalam mod membujur malar untuk masa yang lama.
Rajah 1, Dua struktur linear tipikal bagi frekuensi tunggallaser gentian
Masa siaran: 27 Nov-2023