Лазери с тясна ширина на линията

Някои лазерни приложения изискват лазерът да има много тясна ширина на линията, тоест тесен спектър. Лазерите с тясна ширина на линията се отнасят за едночестотни лазери, тоест има режим на резонансна кухина в стойността на лазера и фазовият шум е много нисък, така че спектралната чистота е много висока. Обикновено такива лазери имат шум с много нисък интензитет.

Най-важните видове лазери с тясна ширина на линията са следните:

1. Полупроводникови лазери, лазерни диоди с разпределена обратна връзка (DFB лазери) и лазери с разпределено отражение на Брег (DBR лазери) се използват най-често в областта на 1500 или 1000 nm. Типичните работни параметри са изходна мощност от десетки миливата (понякога над 100 миливата) и широчина на линията от няколко MHz.

2. По-тесни ширини на линията могат да бъдат получени с полупроводникови лазери, например чрез разширяване на резонатора с едномодово влакно, съдържащо теснолентова влакнеста решетка на Bragg, или чрез използване на диоден лазер с външна кухина. Използвайки този метод, може да се постигне ултра тясна ширина на линията от няколко kHz или дори по-малко от 1 kHz.

3. Малки влакнести лазери с разпределена обратна връзка (резонатори, изработени от специални влакнести Bragg решетки) могат да генерират изходна мощност от десетки миливати с ширина на линията в kHz диапазон.

4. Лазерите в твърдотелно тяло с диодна помпа с неравнинни пръстеновидни резонатори могат също да получат широчина на линията от няколко kHz, докато изходната мощност е относително висока от порядъка на 1 W. Въпреки че типичната дължина на вълната е 1064 nm, възможни са и други области с дължина на вълната като 1300 или 1500 nm.

Основните фактори, влияещи върху тясната ширина на линията на лазерите

За да се постигне лазер с много тясна честотна лента на излъчване (ширина на линията), трябва да се вземат предвид следните фактори при проектирането на лазера:

Първо, трябва да се постигне едночестотна работа. Това се постига лесно чрез използване на усилваща среда с малка честотна лента на усилване и къса лазерна кухина (което води до широк свободен спектрален диапазон). Целта трябва да бъде дългосрочна стабилна едночестотна работа без прескачане на режима.

Второ, влиянието на външния шум трябва да бъде сведено до минимум. Това изисква стабилна настройка на резонатора (монохромен) или специална защита срещу механични вибрации. Лазерите с електрическа помпа трябва да използват източници на ток или напрежение с нисък шум, докато лазерите с оптична помпа трябва да имат шум с нисък интензитет като източник на светлина на помпата. Освен това трябва да се избягват всички светлинни вълни с обратна връзка, например чрез използване на изолатори на Фарадей. На теория външният шум има по-малко влияние от вътрешния шум, като например спонтанно излъчване в усилващата среда. Това се постига лесно, когато честотата на шума е висока, но когато честотата на шума е ниска, ефектът върху широчината на линията е най-важен.

Трето, лазерният дизайн трябва да бъде оптимизиран, за да се минимизира лазерният шум, особено фазовият шум. Предпочитат се висока интракавитационна мощност и дълги резонатори, въпреки че в този случай е по-трудно да се постигне стабилна едночестотна работа.

Оптимизирането на системата изисква разбиране на важността на различните източници на шум, тъй като са необходими различни измервания в зависимост от доминиращия източник на шум. Например, минимизираната ширина на линията съгласно уравнението на Шаулоу-Таунс не минимизира непременно действителната ширина на линията, ако действителната ширина на линията се определя от механичен шум.

Шумови характеристики и спецификации на работата.

Както характеристиките на шума, така и показателите за ефективност на лазерите с тясна ширина на линията са тривиални проблеми. Различни техники за измерване се обсъждат във входа Ширина на линията, особено широчината на линията от няколко kHz или по-малко изисква. Освен това само отчитането на стойността на широчината на линията не може да даде всички характеристики на шума; необходимо е да се даде пълен спектър на фазовия шум, както и информация за относителния интензитет на шума. Стойността на широчината на линията трябва да се комбинира поне с времето за измерване или друга информация, която отчита дългосрочното отклонение на честотата.

Разбира се, различните приложения имат различни изисквания и кое ниво на индекса на шума трябва да се вземе предвид в различни реални ситуации.

Приложения на лазери с тясна ширина на линията

1. Много важно приложение е в областта на сензорите, като оптични сензори за налягане или температура, различни интерферометърни сензори, използване на различен абсорбционен LIDAR за откриване и проследяване на газ и използване на Doppler LIDAR за измерване на скоростта на вятъра. Някои оптични сензори изискват ширина на линията на лазера от няколко kHz, докато при LIDAT измервания е достатъчна ширина на линията от 100 kHz.

2. Оптичните честотни измервания изискват много тясна ширина на линията на източника, което изисква техники за стабилизиране, за да се постигне.

3. Комуникационните системи с оптични влакна имат относително свободни изисквания към ширината на линията и се използват главно за предаватели или за откриване или измерване.