Lasere med smal linjebredde

Nogle laserapplikationer kræver, at laseren har en meget smal linjebredde, det vil sige et smalt spektrum. Lasere med smal linjebredde refererer til enkeltfrekvenslasere, det vil sige, at der er en resonant hulrumstilstand i laserværdien, og fasestøjen er meget lav, så den spektrale renhed er meget høj. Sådanne lasere har typisk meget lav intensitetsstøj.

De vigtigste typer af lasere med smal linjebredde er som følger:

1. Halvlederlasere, distribuerede feedback-laserdioder (DFB-lasere) og distribuerede Bragg-reflektionslasere (DBR-lasere), er mest almindeligt anvendt i 1500 eller 1000nm-området. Typiske driftsparametre er en udgangseffekt på titusinder af milliwatt (nogle gange større end 100 milliwatt) og en linjebredde på flere MHz.

2. Snævrere linjebredder kan opnås med halvlederlasere, for eksempel ved at forlænge resonatoren med en single-mode fiber indeholdende et smalbåndsfiber Bragg-gitter, eller ved at bruge en ekstern hulrumsdiodelaser. Ved at bruge denne metode kan en ultrasmal linjebredde på flere kHz eller endda mindre end 1 kHz opnås.

3. Små distribuerede feedback-fiberlasere (resonatorer lavet af specielle fiber Bragg-gitre) kan generere udgangseffekter på titusvis af milliwatt med linjebredder i kHz-området.

4. Diodepumpede solid-state kropslasere med ikke-plane ringresonatorer kan også opnå en linjebredde på flere kHz, mens udgangseffekten er relativt høj, i størrelsesordenen 1W. Selvom en typisk bølgelængde er 1064 nm, er andre bølgelængdeområder såsom 1300 eller 1500 nm også mulige.

De vigtigste faktorer, der påvirker den smalle linjebredde af lasere

For at opnå en laser med en meget smal strålingsbåndbredde (linjebredde), skal følgende faktorer tages i betragtning ved laserdesign:

For det første skal der opnås enkeltfrekvensdrift. Dette opnås let ved at bruge et forstærkningsmedium med en lille forstærkningsbåndbredde og et kort laserhulrum (hvilket resulterer i et stort frit spektralområde). Målet bør være langsigtet stabil enkeltfrekvensdrift uden mode-hop.

For det andet skal påvirkningen af ​​ekstern støj minimeres. Dette kræver en stabil resonatoropsætning (monokrom) eller særlig beskyttelse mod mekaniske vibrationer. Elektrisk pumpede lasere skal bruge strøm- eller spændingskilder med lav støj, mens optisk pumpede lasere skal have lav intensitetsstøj som pumpens lyskilde. Derudover skal alle feedback-lysbølger undgås, for eksempel ved at bruge Faraday-isolatorer. I teorien har ekstern støj mindre indflydelse end intern støj, såsom spontan emission i forstærkningsmediet. Dette er let at opnå, når støjfrekvensen er høj, men når støjfrekvensen er lav, er effekten på linjebredden vigtigst.

For det tredje skal laserdesign optimeres for at minimere laserstøj, især fasestøj. Høj intrakavitetseffekt og lange resonatorer foretrækkes, selvom stabil enkeltfrekvensdrift er sværere at opnå i dette tilfælde.

Systemoptimering kræver en forståelse af betydningen af ​​de forskellige støjkilder, da der kræves forskellige målinger afhængig af den dominerende støjkilde. For eksempel minimerer den liniebredde, der er minimeret ifølge Schawlow-Townes-ligningen, ikke nødvendigvis den faktiske liniebredde, hvis den faktiske liniebredde bestemmes af mekanisk støj.

Støjegenskaber og ydeevnespecifikationer.

Både støjegenskaberne og ydeevnemålingerne for lasere med smal linjebredde er trivielle problemer. Forskellige måleteknikker diskuteres i indgangen Linewidth, især linjebredder på nogle få kHz eller mindre er krævende. Hertil kommer, at kun liniebreddeværdien ikke kan give alle støjkarakteristika; det er nødvendigt at give et komplet fasestøjspektrum samt information om relativ intensitetsstøj. Linjebreddeværdien skal som minimum kombineres med måletiden eller anden information, der tager højde for den langsigtede frekvensdrift.

Naturligvis har forskellige applikationer forskellige krav, og hvilket niveau af støjydelsesindeks skal tages i betragtning i forskellige faktiske situationer.

Anvendelser af lasere med smal linjebredde

1. En meget vigtig applikation er inden for sansning, såsom tryk- eller temperaturfiberoptiske sensorer, forskellige interferometerregistreringer, brug af forskellig absorptions-LIDAR til at detektere og spore gas og brug af Doppler-LIDAR til at måle vindhastighed. Nogle fiberoptiske sensorer kræver en laserlinjebredde på flere kHz, hvorimod i LIDAT-målinger er en 100kHz linjebredde tilstrækkelig.

2. Optiske frekvensmålinger kræver meget smalle kildelinjebredder, hvilket kræver stabiliseringsteknikker at opnå.

3. Optiske fiberkommunikationssystemer har relativt løse krav til linjebredde og bruges hovedsageligt til sendere eller til detektion eller måling.