Σήμερα, θα παρουσιάσουμε ένα «μονόχρωμο» λέιζερ με ακραίο – στενό πλάτος γραμμής. Η εμφάνισή του καλύπτει τα κενά σε πολλά πεδία εφαρμογής του λέιζερ και τα τελευταία χρόνια έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, το liDAR, την κατανεμημένη αίσθηση, τη συνεκτική οπτική επικοινωνία υψηλής ταχύτητας και άλλα πεδία, κάτι που είναι μια «αποστολή» που δεν μπορεί να γίνει ολοκληρώνεται μόνο με τη βελτίωση της ισχύος λέιζερ.
Τι είναι ένα λέιζερ στενού εύρους γραμμής;
Ο όρος "πλάτος γραμμής" αναφέρεται στο φασματικό πλάτος γραμμής του λέιζερ στον τομέα συχνότητας, το οποίο συνήθως ποσοτικοποιείται ως προς το πλήρες πλάτος της μισής κορυφής του φάσματος (FWHM). Το πλάτος γραμμής επηρεάζεται κυρίως από την αυθόρμητη ακτινοβολία διεγερμένων ατόμων ή ιόντων, τον θόρυβο φάσης, τη μηχανική δόνηση του συντονιστή, το jitter θερμοκρασίας και άλλους εξωτερικούς παράγοντες. Όσο μικρότερη είναι η τιμή του πλάτους της γραμμής, τόσο μεγαλύτερη είναι η καθαρότητα του φάσματος, δηλαδή τόσο καλύτερη είναι η μονοχρωματικότητα του λέιζερ. Τα λέιζερ με τέτοια χαρακτηριστικά έχουν συνήθως πολύ μικρό θόρυβο φάσης ή συχνότητας και πολύ μικρό θόρυβο σχετικής έντασης. Ταυτόχρονα, όσο μικρότερη είναι η τιμή γραμμικού πλάτους του λέιζερ, τόσο ισχυρότερη είναι η αντίστοιχη συνοχή, η οποία εκδηλώνεται ως εξαιρετικά μεγάλο μήκος συνοχής.
Υλοποίηση και εφαρμογή laser στενού πλάτους γραμμής
Περιοριζόμενος από το εγγενές εύρος γραμμής κέρδους της λειτουργικής ουσίας του λέιζερ, είναι σχεδόν αδύνατο να πραγματοποιηθεί άμεσα η έξοδος του λέιζερ στενού εύρους γραμμής βασιζόμενος στον ίδιο τον παραδοσιακό ταλαντωτή. Για να πραγματοποιηθεί η λειτουργία του λέιζερ στενού εύρους γραμμής, είναι συνήθως απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν φίλτρα, πλέγματα και άλλες συσκευές για τον περιορισμό ή την επιλογή του διαμήκους συντελεστή στο φάσμα απολαβής, την αύξηση της διαφοράς καθαρού κέρδους μεταξύ των διαμήκων τρόπων λειτουργίας, έτσι ώστε να υπάρχει λίγες ή ακόμη και μόνο μία ταλάντωση διαμήκους τρόπου λειτουργίας στον συντονιστή λέιζερ. Σε αυτή τη διαδικασία, είναι συχνά απαραίτητο να ελέγχεται η επίδραση του θορύβου στην έξοδο του λέιζερ και να ελαχιστοποιείται η διεύρυνση των φασματικών γραμμών που προκαλούνται από τους κραδασμούς και τις αλλαγές θερμοκρασίας του εξωτερικού περιβάλλοντος. Ταυτόχρονα, μπορεί επίσης να συνδυαστεί με την ανάλυση της φασματικής πυκνότητας θορύβου φάσης ή συχνότητας για την κατανόηση της πηγής του θορύβου και τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του λέιζερ, έτσι ώστε να επιτευχθεί σταθερή έξοδος του λέιζερ στενού εύρους γραμμής.
Ας ρίξουμε μια ματιά στην υλοποίηση της λειτουργίας στενού εύρους γραμμής πολλών διαφορετικών κατηγοριών λέιζερ.
Τα λέιζερ ημιαγωγών έχουν τα πλεονεκτήματα του συμπαγούς μεγέθους, της υψηλής απόδοσης, της μεγάλης διάρκειας ζωής και των οικονομικών πλεονεκτημάτων.
Το οπτικό αντηχείο Fabry-Perot (FP) που χρησιμοποιείται στα παραδοσιακάλέιζερ ημιαγωγώνγενικά ταλαντώνεται σε πολλαπλή διαμήκη λειτουργία και το πλάτος της γραμμής εξόδου είναι σχετικά ευρύ, επομένως είναι απαραίτητο να αυξηθεί η οπτική ανάδραση για να ληφθεί η έξοδος στενού πλάτους γραμμής.
Η κατανεμημένη ανάδραση (DFB) και η κατανεμημένη ανάκλαση Bragg (DBR) είναι δύο τυπικά εσωτερικά οπτικά λέιζερ ημιαγωγών ανάδρασης. Λόγω του μικρού βήματος σχάρας και της καλής επιλεκτικότητας μήκους κύματος, είναι εύκολο να επιτευχθεί σταθερή έξοδος στενού εύρους γραμμής μονής συχνότητας. Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο δομών είναι η θέση του πλέγματος: η δομή DFB συνήθως κατανέμει την περιοδική δομή του πλέγματος Bragg σε όλο το αντηχείο και ο συντονιστής του DBR συνήθως αποτελείται από τη δομή του πλέγματος ανάκλασης και την περιοχή απολαβής ενσωματωμένη στο την τελική επιφάνεια. Επιπλέον, τα λέιζερ DFB χρησιμοποιούν ενσωματωμένες σχάρες με χαμηλό δείκτη διάθλασης αντίθεσης και χαμηλή ανακλαστικότητα. Τα λέιζερ DBR χρησιμοποιούν επιφανειακές σχάρες με υψηλή αντίθεση με δείκτη διάθλασης και υψηλή ανακλαστικότητα. Και οι δύο δομές έχουν μεγάλη ελεύθερη φασματική περιοχή και μπορούν να εκτελέσουν συντονισμό μήκους κύματος χωρίς άλμα λειτουργίας στην περιοχή μερικών νανομέτρων, όπου το λέιζερ DBR έχει ευρύτερο εύρος συντονισμού από τοΛέιζερ DFB. Επιπλέον, η τεχνολογία οπτικής ανάδρασης εξωτερικής κοιλότητας, η οποία χρησιμοποιεί εξωτερικά οπτικά στοιχεία για την ανάδραση του εξερχόμενου φωτός του τσιπ λέιζερ ημιαγωγών και την επιλογή της συχνότητας, μπορεί επίσης να πραγματοποιήσει τη λειτουργία στενού πλάτους γραμμής του λέιζερ ημιαγωγών.
(2) Λέιζερ ινών
Τα λέιζερ ινών έχουν υψηλή απόδοση μετατροπής αντλίας, καλή ποιότητα δέσμης και υψηλή απόδοση σύζευξης, τα οποία είναι τα καυτά ερευνητικά θέματα στον τομέα των λέιζερ. Στο πλαίσιο της εποχής της πληροφορίας, τα λέιζερ ινών έχουν καλή συμβατότητα με τα τρέχοντα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών στην αγορά. Το λέιζερ ινών μονής συχνότητας με τα πλεονεκτήματα του στενού πλάτους γραμμής, του χαμηλού θορύβου και της καλής συνοχής έχει γίνει μια από τις σημαντικές κατευθύνσεις ανάπτυξής του.
Η λειτουργία μονής διαμήκους λειτουργίας είναι ο πυρήνας του λέιζερ ινών για την επίτευξη εξόδου στενού πλάτους γραμμής, συνήθως σύμφωνα με τη δομή του αντηχείου του λέιζερ ινών μονής συχνότητας μπορεί να χωριστεί σε τύπο DFB, τύπο DBR και τύπο δακτυλίου. Μεταξύ αυτών, η αρχή λειτουργίας των λέιζερ ινών μονής συχνότητας DFB και DBR είναι παρόμοια με αυτή των λέιζερ ημιαγωγών DFB και DBR.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, το λέιζερ ινών DFB πρέπει να γράψει κατανεμημένη σχάρα Bragg στην ίνα. Επειδή το μήκος κύματος εργασίας του ταλαντωτή επηρεάζεται από την περίοδο της ίνας, η διαμήκης λειτουργία μπορεί να επιλεγεί μέσω της κατανεμημένης ανάδρασης του πλέγματος. Το αντηχείο λέιζερ του λέιζερ DBR σχηματίζεται συνήθως από ένα ζεύγος δικτυωμάτων Bragg ινών και η μονή διαμήκης λειτουργία επιλέγεται κυρίως από στενή ζώνη και πλέγματα ινών Bragg χαμηλής ανακλαστικότητας. Ωστόσο, λόγω του μακρού αντηχείου, της πολύπλοκης δομής και της έλλειψης αποτελεσματικού μηχανισμού διάκρισης συχνότητας, η δακτυλιοειδής κοιλότητα είναι επιρρεπής σε αναπήδηση τρόπου λειτουργίας και είναι δύσκολο να εργαστεί σταθερά σε σταθερή διαμήκη λειτουργία για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Εικόνα 1, Δύο τυπικές γραμμικές δομές μονής συχνότηταςλέιζερ ινών
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-27-2023