Визначення ширини лінії в лазерах

Ширина лінії лазера, особливо одночастотного лазера, відноситься до ширини його спектра (зазвичай повна ширина на половині максимуму, FWHM). Точніше, це ширина спектральної щільності потужності випромінюваного електричного поля, виражена через частоту, хвильове число або довжину хвилі. Ширина лінії лазера тісно пов’язана з тимчасовою когерентністю та характеризується часом когерентності та довжиною когерентності. Якщо фаза зазнає необмеженого зсуву, фазовий шум робить внесок у ширину лінії; це стосується вільних осциляторів. (Коливання фази, обмежені дуже малим фазовим інтервалом, створюють нульову ширину лінії та деякі бічні смуги шуму.) Зміщення довжини резонансної порожнини також впливають на ширину лінії та роблять її залежною від часу вимірювання. Це вказує на те, що сама по собі ширина лінії або навіть бажана спектральна форма (лінія) не можуть надати повну інформацію про лазерний спектр.

II. Лазерне вимірювання ширини лінії

У деяких випадках дуже вузька ширина променя від лазерного джерела не потрібна:

1. Коли ширина лінії є відносно великою (>10 ГГц, коли кілька мод коливаються в кількох лазерних резонансних порожнинах), її можна виміряти за допомогою традиційного спектрометра з використанням дифракційної решітки. Однак за допомогою цього методу важко отримати високу роздільну здатність.

2. Інший метод полягає у використанні частотного дискримінатора для перетворення коливань частоти у коливання інтенсивності. Дискримінатором може бути незбалансований інтерферометр або високоточний опорний резонатор. Цей метод вимірювання також має обмежену роздільну здатність.

3. Одночастотні лазери зазвичай використовують метод власного гетеродина, який записує биття між вихідним сигналом лазера та його власною частотою після зміщення та затримки.

4. Для ширини лінії в кілька сотень герц традиційні методи власного гетеродина є непрактичними, оскільки вони вимагають великої довжини затримки. Для збільшення цієї довжини можна використовувати циклічну волоконну петлю та вбудований волоконний підсилювач.

5. Дуже високої роздільної здатності можна досягти шляхом запису биття двох незалежних лазерів, де шум еталонного лазера набагато нижчий, ніж шум тестового лазера, або їхні характеристики роботи схожі. Можна використовувати фазову автопідстройку частоти або обчислення миттєвої різниці частот на основі математичних записів. Цей метод дуже простий і стабільний, але потребує іншого лазера (працює близько частоти тестового лазера). Якщо виміряна ширина лінії вимагає широкого спектрального діапазону, частотна гребінка дуже зручна.

Оптичні вимірювання частоти часто вимагають конкретної частоти (або часу) в певний момент. Для лазерів з вузькою шириною лінії потрібен лише один еталонний промінь, щоб забезпечити достатньо точний еталон. Методи власного гетеродина отримують опорну частоту шляхом застосування достатньо тривалої затримки часу до самої тестової установки, в ідеалі уникаючи тимчасової когерентності між початковим променем і його власним затриманим променем. Тому зазвичай використовуються довгі оптичні волокна. Однак через стабільні флуктуації та акустичні ефекти довгі волокна вносять додатковий фазовий шум.

Коли присутній частотний шум 1/f, лише ширина лінії не може повністю описати фазову помилку. Кращим підходом є вимірювання Фур’є-спектру фази або миттєвих коливань частоти, а потім його характеристика за допомогою спектральної щільності потужності; можна посилатися на показники шуму. Шум 1/f (або спектр шуму іншого низькочастотного шуму) може викликати певні проблеми з вимірюванням.

III. Мінімізація лазерної ширини лінії

Ширина лінії лазера безпосередньо залежить від типу лазера. Його можна мінімізувати, оптимізувавши конструкцію лазера та придушивши вплив зовнішнього шуму. Перший крок полягає в тому, щоб визначити, чи домінує квантовий шум чи класичний шум, оскільки це вплине на наступні вимірювання.

Коли потужність внутрішнього резонатора висока, втрати резонансної порожнини низькі, а час проходження резонансної порожнини туди й назад тривалий, квантовий шум (переважно шум спонтанного випромінювання) лазера має незначний вплив. Класичний шум може бути викликаний механічними коливаннями, які можна пом'якшити за допомогою компактного короткого лазерного резонатора. Однак флуктуації довжини іноді можуть мати сильніший ефект навіть у коротших резонаторах. Правильна механічна конструкція може зменшити зв’язок між лазерним резонатором і зовнішнім випромінюванням, а також мінімізувати ефект теплового дрейфу. Теплові флуктуації також існують в середовищі посилення, спричинені коливаннями потужності насоса. Для кращої шумотехніки потрібні інші пристрої активної стабілізації, але спочатку перевагу надають практичні пасивні методи. Ширина лінії одночастотних твердотільних лазерів і волоконних лазерів знаходиться в діапазоні 1-2 Гц, іноді навіть нижче 1 кГц. Методи активної стабілізації можуть досягти ширини лінії нижче 1 кГц. Ширина ліній лазерних діодів зазвичай знаходиться в діапазоні МГц, але може бути зменшена до кГц, наприклад, у діодних лазерах із зовнішнім резонатором, особливо з оптичним зворотним зв’язком і високоточними опорними резонаторами.

IV. Проблеми, що виникають через вузьку ширину лінії

У деяких випадках дуже вузька ширина променя від лазерного джерела не потрібна:

1. Коли довжина когерентності велика, ефекти когерентності (через слабкі паразитні відбиття) можуть спотворити форму променя. 1. У лазерних проекційних дисплеях спекл-ефекти можуть впливати на якість поверхні.

2. Коли світло поширюється в активних або пасивних оптичних волокнах, вузькі лінії можуть спричинити проблеми через вимушене розсіювання Бріллюена. У таких випадках необхідно збільшити ширину лінії, наприклад, шляхом швидкого дизерінгу перехідної частоти лазерного діода або оптичного модулятора за допомогою модуляції струму. Ширина лінії також використовується для опису ширини оптичних переходів (наприклад, лазерних переходів або деяких характеристик поглинання). У переходах нерухомого окремого атома або іона ширина лінії пов'язана з часом життя верхнього енергетичного стану (точніше, часом життя між верхнім і нижнім енергетичними станами) і називається природною шириною лінії. Рух (див. доплерівське розширення) або взаємодія атомів чи іонів може розширити ширину лінії, наприклад розширення тиску в газах або фононна взаємодія в твердих середовищах. Якщо на різні атоми чи іони впливають по-різному, може виникнути нерівномірне розширення.