Лазери з вузькою шириною лінії

Деякі застосування лазера вимагають, щоб лазер мав дуже вузьку ширину лінії, тобто вузький спектр. Лазери з вузькою шириною лінії відносяться до одночастотних лазерів, тобто в лазерному значенні є режим резонансної порожнини, а фазовий шум дуже низький, тому спектральна чистота дуже висока. Зазвичай такі лазери мають дуже низьку інтенсивність шуму.

Найважливіші типи вузьколінійних лазерів:

1. Напівпровідникові лазери, лазерні діоди з розподіленим зворотним зв’язком (DFB-лазери) і лазери з розподіленим бреггівським відображенням (DBR-лазери) найчастіше використовуються в області 1500 або 1000 нм. Типовими робочими параметрами є вихідна потужність у десятки міліват (іноді понад 100 міліват) і ширина лінії в декілька МГц.

2. Вужчу ширину лінії можна отримати за допомогою напівпровідникових лазерів, наприклад, шляхом розширення резонатора одномодовим волокном, що містить вузькосмугову волоконну бреггівську решітку, або використанням діодного лазера із зовнішнім резонатором. Використовуючи цей метод, можна досягти надвузької ширини лінії в кілька кГц або навіть менше 1 кГц.

3. Невеликі волоконні лазери з розподіленим зворотним зв'язком (резонатори зі спеціальних волоконних бреггівських решіток) можуть генерувати вихідні потужності в десятки міліват з шириною лінії в діапазоні кГц.

4. Твердотільні лазери з діодним накачуванням і неплоскими кільцевими резонаторами також можуть отримати ширину лінії в кілька кГц, при цьому вихідна потужність є відносно високою, порядку 1 Вт. Хоча типова довжина хвилі становить 1064 нм, також можливі інші області довжини хвилі, наприклад 1300 або 1500 нм.

Основні фактори, що впливають на вузьку ширину лінії лазерів

Щоб отримати лазер із дуже вузькою смугою випромінювання (шириною лінії), при проектуванні лазера необхідно враховувати наступні фактори:

По-перше, потрібно досягти одночастотної роботи. Цього легко досягти, використовуючи підсилювальне середовище з малою смугою підсилення та коротким лазерним резонатором (що призводить до великого вільного спектрального діапазону). Метою має бути довготривала стабільна одночастотна робота без стрибкоподібних змін режиму.

По-друге, необхідно звести до мінімуму вплив зовнішнього шуму. Для цього потрібна стабільна установка резонатора (монохромний), або спеціальний захист від механічних коливань. Лазери з електричним накачуванням повинні використовувати джерела струму або напруги з низьким рівнем шуму, тоді як лазери з оптичним накачуванням повинні мати шум низької інтенсивності як джерело світла накачування. Крім того, слід уникати всіх світлових хвиль зворотного зв'язку, наприклад, використовуючи ізолятори Фарадея. Теоретично зовнішній шум має менший вплив, ніж внутрішній шум, такий як спонтанне випромінювання в середовищі посилення. Цього легко досягти, коли частота шуму висока, але коли частота шуму низька, вплив на ширину лінії є найважливішим.

По-третє, конструкція лазера повинна бути оптимізована для мінімізації лазерного шуму, особливо фазового. Висока внутрішньорезонаторна потужність і довгі резонатори є кращими, хоча в цьому випадку важче досягти стабільної одночастотної роботи.

Оптимізація системи вимагає розуміння важливості різних джерел шуму, оскільки необхідні різні вимірювання залежно від домінуючого джерела шуму. Наприклад, ширина лінії, мінімізована відповідно до рівняння Шаулова-Таунса, не обов’язково мінімізує фактичну ширину лінії, якщо фактична ширина лінії визначається механічним шумом.

Шумові характеристики та робочі характеристики.

І характеристики шуму, і показники продуктивності лазерів з вузькою шириною лінії є незначними проблемами. Різні методи вимірювання обговорюються у розділі Ширина лінії, особливо вимогливими є ширина лінії в кілька кГц або менше. Крім того, лише врахування значення ширини лінії не може дати всіх характеристик шуму; необхідно надати повний спектр фазового шуму, а також інформацію про відносну інтенсивність шуму. Значення ширини лінії має поєднуватися принаймні з часом вимірювання або іншою інформацією, яка враховує довготривалий дрейф частоти.

Звичайно, різні програми мають різні вимоги, і який рівень індексу шумових характеристик необхідно враховувати в різних фактичних ситуаціях.

Застосування лазерів з вузькою шириною лінії

1. Дуже важливе застосування в області зондування, наприклад волоконно-оптичних датчиків тиску або температури, різноманітних інтерферометричних датчиків, використання різних абсорбційних LIDAR для виявлення та відстеження газу та використання доплерівського LIDAR для вимірювання швидкості вітру. Для деяких волоконно-оптичних датчиків потрібна ширина лінії лазера в кілька кГц, тоді як для вимірювань LIDAT достатньо ширини лінії 100 кГц.

2. Для вимірювання оптичної частоти потрібна дуже вузька ширина лінії джерела, для досягнення якої потрібні методи стабілізації.

3. Волоконно-оптичні системи зв'язку мають відносно вільні вимоги до ширини лінії та в основному використовуються для передавачів або для виявлення чи вимірювання.