Дефиниция на ширината на линията в лазерите

Ширината на линията на лазер, особено на едночестотен лазер, се отнася до ширината на неговия спектър (обикновено пълна ширина на половин максимум, FWHM). По-точно, това е ширината на спектралната плътност на мощността на излъченото електрическо поле, изразена като честота, вълново число или дължина на вълната. Ширината на линията на лазера е тясно свързана с времевата кохерентност и се характеризира с време на кохерентност и дължина на кохерентност. Ако фазата претърпи неограничено изместване, фазовият шум допринася за широчината на линията; такъв е случаят със свободните осцилатори. (Фазовите флуктуации, ограничени до много малък фазов интервал, произвеждат нулева широчина на линията и някои странични ленти на шума.) Изместванията в дължината на резонансната кухина също допринасят за широчината на линията и я правят зависима от времето за измерване. Това показва, че ширината на линията сама по себе си или дори желаната спектрална форма (линия) не може да предостави пълната информация за лазерния спектър.

II. Лазерно измерване на ширината на линията

Могат да се използват много техники за измерване на ширината на лазерната линия:

1. Когато широчината на линията е относително голяма (>10 GHz, когато множество режими осцилират в множество лазерни резонансни кухини), тя може да бъде измерена с помощта на традиционен спектрометър, използващ дифракционна решетка. Трудно е обаче да се получи висока честотна разделителна способност с помощта на този метод.

2. Друг метод е да се използва честотен дискриминатор за преобразуване на честотните флуктуации в интензитетни флуктуации. Дискриминаторът може да бъде небалансиран интерферометър или референтна кухина с висока точност. Този метод на измерване също има ограничена разделителна способност.

3. Едночестотните лазери обикновено използват самохетеродинен метод, който записва биенето между лазерния изход и собствената му честота след отместване и закъснение.

4. За ширина на линията от няколкостотин херца, традиционните техники за самохетеродин са непрактични, защото изискват голяма дължина на забавяне. За удължаване на тази дължина може да се използва циклична влакнеста верига и вграден влакнен усилвател.

Когато има 1/f честотен шум, ширината на линията сама по себе си не може да опише напълно фазовата грешка. По-добър подход е да се измери спектърът на Фурие на фазата или моментните флуктуации на честотата и след това да се характеризира с помощта на спектралната плътност на мощността; могат да се направят справки с показатели за шумови характеристики. 1/f шум (или шумовият спектър на друг нискочестотен шум) може да причини някои проблеми с измерването.

Оптичните честотни измервания често изискват специфична честота (или време) в даден момент. За лазери с тясна ширина на линията е необходим само един референтен лъч, за да се осигури достатъчно точна референция. Самохетеродинните техники получават референтна честота чрез прилагане на достатъчно дълго времезакъснение към самата тестова настройка, като в идеалния случай се избягва времевата кохерентност между първоначалния лъч и неговия собствен забавен лъч. Поради това обикновено се използват дълги оптични влакна. Въпреки това, поради стабилни колебания и акустични ефекти, дългите влакна въвеждат допълнителен фазов шум.

Когато има 1/f честотен шум, ширината на линията сама по себе си не може да опише напълно фазовата грешка. По-добър подход е да се измери спектърът на Фурие на фазата или моментните флуктуации на честотата и след това да се характеризира с помощта на спектралната плътност на мощността; могат да се направят справки с показатели за шумови характеристики. 1/f шум (или шумовият спектър на друг нискочестотен шум) може да причини някои проблеми с измерването.

III. Минимизиране на ширината на лазерната линия

Ширината на лазерната линия е пряко свързана с типа лазер. Тя може да бъде сведена до минимум чрез оптимизиране на дизайна на лазера и потискане на външните шумови влияния. Първата стъпка е да се определи дали квантовият шум или класическият шум е доминиращ, тъй като това ще повлияе на следващите измервания.

Когато мощността във вътрешността на кухината е висока, загубата на резонансна кухина е ниска и времето за обиколка на резонансната кухина е дълго, квантовият шум (предимно спонтанен емисионен шум) на лазера има слабо въздействие. Класическият шум може да бъде причинен от механични колебания, които могат да бъдат смекчени с помощта на компактен, къс лазерен резонатор. Обаче флуктуациите на дължината понякога могат да имат по-силен ефект при дори по-къси резонатори. Правилният механичен дизайн може да намали свързването между лазерния резонатор и външните лъчения и също така да минимизира ефектите на топлинно отклонение. Съществуват и термични колебания в усилващата среда, причинени от колебанията в мощността на помпата. За по-добро представяне на шума са необходими други активни стабилизиращи устройства, но първоначално практичните пасивни методи са за предпочитане. Ширините на линиите на едночестотните твърдотелни лазери и лазерите с влакна са в диапазона 1-2 Hz, понякога дори под 1 kHz. Методите за активна стабилизация могат да постигнат ширина на линията под 1 kHz. Ширините на линиите на лазерните диоди обикновено са в диапазона MHz, но могат да бъдат намалени до kHz, например, в диодни лазери с външна кухина, особено тези с оптична обратна връзка и високопрецизни референтни кухини.

IV. Проблеми, произтичащи от тесни линии

В някои случаи не е необходима много тясна ширина на лъча от лазерния източник:

1. Когато кохерентната дължина е голяма, кохерентните ефекти (поради слаби паразитни отражения) могат да изкривят формата на лъча. 1. В лазерните прожекционни дисплеи ефектите на петна могат да повлияят на качеството на повърхността.

2. Когато светлината се разпространява в активни или пасивни оптични влакна, тесните ширини на линиите могат да причинят проблеми поради стимулирано разсейване на Брилуен. В такива случаи е необходимо да се увеличи широчината на линията, например чрез бързо дитъринг на преходната честота на лазерен диод или оптичен модулатор, използвайки токова модулация. Ширината на линията също се използва за описване на ширината на оптичните преходи (напр. лазерни преходи или някои характеристики на абсорбция). При преходите на стационарен единичен атом или йон широчината на линията е свързана с времето на живот на горното енергийно състояние (по-точно времето на живот между горното и долното енергийно състояние) и се нарича естествена ширина на линията. Движението (виж Доплеровото разширяване) или взаимодействието на атоми или йони може да разшири широчината на линията, като разширяване на налягането в газове или фононни взаимодействия в твърди среди. Ако различните атоми или йони са засегнати по различен начин, може да възникне неравномерно разширяване.