Σήμερα, θα παρουσιάσουμε ένα «μονοχρωματικό» λέιζερ στο άκρο – λέιζερ στενού πλάτους γραμμής. Η εμφάνισή του καλύπτει τα κενά σε πολλά πεδία εφαρμογών του λέιζερ και τα τελευταία χρόνια έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, στο liDAR, στην κατανεμημένη ανίχνευση, στην υψηλής ταχύτητας συνεκτική οπτική επικοινωνία και σε άλλους τομείς, κάτι που αποτελεί «αποστολή» που δεν μπορεί να ολοκληρωθεί μόνο με τη βελτίωση της ισχύος του λέιζερ.
Τι είναι ένα λέιζερ στενού πλάτους γραμμής;
Ο όρος «πλάτος γραμμής» αναφέρεται στο φασματικό πλάτος γραμμής του λέιζερ στο πεδίο συχνοτήτων, το οποίο συνήθως ποσοτικοποιείται με βάση το πλήρες πλάτος ημι-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 τρεμούλιασμα θερμοκρασίας και άλλους εξωτερικούς παράγοντες. Όσο μικρότερη είναι η τιμή του πλάτους γραμμής, τόσο υψηλότερη είναι η καθαρότητα του φάσματος, δηλαδή, τόσο καλύτερη είναι η μονοχρωματικότητα του λέιζερ. Τα λέιζερ με τέτοια χαρακτηριστικά έχουν συνήθως πολύ λίγο θόρυβο φάσης ή συχνότητας και πολύ λίγο θόρυβο σχετικής έντασης. Ταυτόχρονα, όσο μικρότερη είναι η τιμή γραμμικού πλάτους του λέιζερ, τόσο ισχυρότερη είναι η αντίστοιχη συνοχή, η οποία εκδηλώνεται ως ένα εξαιρετικά μεγάλο μήκος συνοχής.
Υλοποίηση και εφαρμογή λέιζερ στενού πλάτους γραμμής
Περιορισμένο από το εγγενές πλάτος γραμμής κέρδους της λειτουργικής ουσίας του λέιζερ, είναι σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί άμεσα η έξοδος του λέιζερ στενού πλάτους γραμμής βασιζόμενο στον ίδιο τον παραδοσιακό ταλαντωτή. Για να επιτευχθεί η λειτουργία του λέιζερ στενού πλάτους γραμμής, είναι συνήθως απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν φίλτρα, πλέγματα και άλλες συσκευές για να περιοριστεί ή να επιλεγεί το διαμήκες μέτρο ελαστικότητας στο φάσμα κέρδους, να αυξηθεί η καθαρή διαφορά κέρδους μεταξύ των διαμήκων τρόπων λειτουργίας, έτσι ώστε να υπάρχουν λίγες ή και μόνο μία ταλάντωση διαμήκους λειτουργίας στον συντονιστή λέιζερ. Σε αυτή τη διαδικασία, είναι συχνά απαραίτητο να ελεγχθεί η επίδραση του θορύβου στην έξοδο του λέιζερ και να ελαχιστοποιηθεί η διεύρυνση των φασματικών γραμμών που προκαλείται από τις δονήσεις και τις αλλαγές θερμοκρασίας του εξωτερικού περιβάλλοντος. Ταυτόχρονα, μπορεί επίσης να συνδυαστεί με την ανάλυση της φασματικής πυκνότητας θορύβου φάσης ή συχνότητας για να κατανοηθεί η πηγή του θορύβου και να βελτιστοποιηθεί ο σχεδιασμός του λέιζερ, έτσι ώστε να επιτευχθεί σταθερή έξοδος του λέιζερ στενού πλάτους γραμμής.
Ας ρίξουμε μια ματιά στην υλοποίηση λειτουργίας στενού πλάτους γραμμής από διάφορες κατηγορίες λέιζερ.
Τα ημιαγωγικά λέιζερ έχουν τα πλεονεκτήματα του συμπαγούς μεγέθους, της υψηλής απόδοσης, της μεγάλης διάρκειας ζωής και των οικονομικών οφελών.
Ο οπτικός συντονιστής Fabry-Perot (FP) που χρησιμοποιείται σε παραδοσιακέςλέιζερ ημιαγωγώνγενικά ταλαντώνεται σε πολυδιαμήκη λειτουργία και το πλάτος της γραμμής εξόδου είναι σχετικά ευρύ, επομένως είναι απαραίτητο να αυξηθεί η οπτική ανάδραση για να επιτευχθεί η έξοδος στενού πλάτους γραμμής.
Η κατανεμημένη ανάδραση (DFB) και η κατανεμημένη ανάκλαση Bragg (DBR) είναι δύο τυπικά λέιζερ ημιαγωγών εσωτερικής οπτικής ανάδρασης. Λόγω του μικρού βήματος του πλέγματος και της καλής επιλεκτικότητας μήκους κύματος, είναι εύκολο να επιτευχθεί σταθερή έξοδος στενού πλάτους 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 αντηχείο του DBR συνήθως αποτελείται από τη δομή του πλέγματος ανάκλασης και την περιοχή κέρδους ενσωματωμένη στην τελική επιφάνεια. Επιπλέον, τα λέιζερ DFB χρησιμοποιούν ενσωματωμένα πλέγματα με χαμηλή αντίθεση δείκτη διάθλασης και χαμηλή ανακλαστικότητα. Τα λέιζερ DBR χρησιμοποιούν επιφανειακά πλέγματα με υψηλή αντίθεση δείκτη διάθλασης και υψηλή ανακλαστικότητα. Και οι δύο δομές έχουν μεγάλο ελεύθερο φασματικό εύρος και μπορούν να εκτελέσουν συντονισμό μήκους κύματος χωρίς άλμα τρόπου λειτουργίας στην περιοχή μερικών νανομέτρων, όπου το λέιζερ DBR έχει ευρύτερο εύρος συντονισμού από τοΛέιζερ DFBΕπιπλέον, 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 οπτικών ινών
Τα λέιζερ οπτικών ινών έχουν υψηλή απόδοση μετατροπής αντλίας, καλή ποιότητα δέσμης και υψηλή απόδοση σύζευξης, τα οποία αποτελούν τα πιο δημοφιλή ερευνητικά θέματα στον τομέα των λέιζερ. Στο πλαίσιο της εποχής της πληροφορίας, τα λέιζερ οπτικών ινών έχουν καλή συμβατότητα με τα τρέχοντα συστήματα επικοινωνίας οπτικών ινών στην αγορά. Το λέιζερ οπτικών ινών μίας 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 οπτικών ινών για την επίτευξη στενής εξόδου πλάτους γραμμής, συνήθως ανάλογα με τη δομή του συντονιστή, το λέιζερ οπτικών ινών μονής συχνότητας μπορεί να χωριστεί σε τύπο DFB, τύπο DBR και τύπο δακτυλίου. Μεταξύ αυτών, η αρχή λειτουργίας των λέιζερ οπτικών ινών μονής συχνότητας DFB και DBR είναι παρόμοια με αυτή των λέιζερ ημιαγωγών DFB και DBR.
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, το λέιζερ οπτικών ινών DFB προορίζεται για την εγγραφή κατανεμημένου πλέγματος Bragg στην οπτική ίνα. Επειδή το μήκος κύματος λειτουργίας του ταλαντωτή επηρεάζεται από την περίοδο της οπτικής ίνας, η διαμήκης λειτουργία μπορεί να επιλεγεί μέσω της κατανεμημένης ανάδρασης του πλέγματος. Ο συντονιστής λέιζερ του λέιζερ DBR συνήθως σχηματίζεται από ένα ζεύγος πλεγμάτων Bragg οπτικών ινών, και η μοναδική διαμήκης λειτουργία επιλέγεται κυρίως από πλέγματα Bragg οπτικών ινών στενής ζώνης και χαμηλής ανακλαστικότητας. Ωστόσο, λόγω του μεγάλου συντονιστή, της σύνθετης δομής και της έλλειψης αποτελεσματικού μηχανισμού διάκρισης συχνότητας, η δακτυλιοειδής κοιλότητα είναι επιρρεπής σε μεταπήδηση λειτουργίας και είναι δύσκολο να λειτουργήσει σταθερά σε σταθερή διαμήκη λειτουργία για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Σχήμα 1, Δύο τυπικές γραμμικές δομές μονής συχνότηταςλέιζερ οπτικών ινών
Ώρα δημοσίευσης: 27 Νοεμβρίου 2023