Definition af linjebredde i lasere

Linjebredden af ​​en laser, især en enkelt-frekvens laser, refererer til bredden af ​​dens spektrum (typisk fuld bredde ved halv maksimum, FWHM). Mere præcist er det bredden af ​​det udstrålede elektriske felteffektspektraltæthed, udtrykt i frekvens, bølgetal eller bølgelængde. En lasers linjebredde er tæt forbundet med tidsmæssig kohærens og er karakteriseret ved kohærenstid og kohærenslængde. Hvis fasen gennemgår et ubegrænset skift, bidrager fasestøj til linjebredden; dette er tilfældet med frie oscillatorer. (Faseudsving begrænset til et meget lille faseinterval producerer nul linjebredde og nogle støjsidebånd.) Forskydninger i resonanshulrummets længde bidrager også til linjebredden og gør den afhængig af måletiden. Dette indikerer, at linjebredden alene, eller endda en ønskelig spektral form (lineform), ikke kan give den fulde information om laserspektret.

II. Måling af laserlinjebredde

Mange teknikker kan bruges til at måle laserlinjebredde:

1. Når linjebredden er relativt stor (>10 GHz, når flere tilstande oscillerer i flere laserresonanshulrum), kan den måles ved hjælp af et traditionelt spektrometer, der anvender et diffraktionsgitter. Det er dog vanskeligt at opnå højfrekvent opløsning ved hjælp af denne metode.

2. En anden metode er at bruge en frekvensdiskriminator til at konvertere frekvensudsving til intensitetsudsving. Diskriminatoren kan være et ubalanceret interferometer eller et højpræcisionsreferencehulrum. Denne målemetode har også begrænset opløsning.

3. Enkeltfrekvenslasere bruger typisk en selv-heterodyn metode, som registrerer slaget mellem laseroutput og dets egen frekvens efter offset og forsinkelse.

4. For linjebredder på flere hundrede hertz er traditionelle selv-heterodyne teknikker upraktiske, fordi de kræver en stor forsinkelseslængde. En cyklisk fibersløjfe og en indbygget fiberforstærker kan bruges til at forlænge denne længde.

5. Meget høj opløsning kan opnås ved at optage slagene fra to uafhængige lasere, hvor støjen fra referencelaseren er meget lavere end testlaserens, eller deres ydeevnespecifikationer er ens. En faselåst sløjfe eller beregning af den øjeblikkelige frekvensforskel baseret på matematiske registreringer kan anvendes. Denne metode er meget enkel og stabil, men kræver en anden laser (fungerer nær testlaserens frekvens). Hvis den målte linjebredde kræver et bredt spektralområde, er en frekvenskam meget praktisk.

Optiske frekvensmålinger kræver ofte en specifik frekvens (eller tids)reference på et tidspunkt. For lasere med smal linjebredde er kun en enkelt referencestråle nødvendig for at give en tilstrækkelig nøjagtig reference. Selv-heterodyne teknikker opnår en frekvensreference ved at anvende en tilstrækkelig lang tidsforsinkelse på selve testopsætningen, hvilket ideelt set undgår tidsmæssig sammenhæng mellem den indledende stråle og dens egen forsinkede stråle. Derfor anvendes typisk lange optiske fibre. Men på grund af stabile udsving og akustiske effekter introducerer lange fibre yderligere fasestøj.

Når 1/f-frekvensstøj er til stede, kan linjebredden alene ikke fuldt ud beskrive fasefejlen. En bedre tilgang er at måle Fourier-spektret af fase- eller øjeblikkelige frekvensudsving og derefter karakterisere det ved hjælp af effektspektraltætheden; støjydelsesindikatorer kan refereres. 1/f-støj (eller støjspektret for anden lavfrekvent støj) kan forårsage nogle måleproblemer.

III. Minimering af laserlinjebredde

Lasers linjebredde er direkte relateret til lasertypen. Det kan minimeres ved at optimere laserdesignet og undertrykke ekstern støjpåvirkning. Det første skridt er at bestemme, om kvantestøj eller klassisk støj er dominerende, da dette vil påvirke efterfølgende målinger.

Når intrakavitetseffekten er høj, er tabet i resonanshulrummet lavt, og resonanshulrummets rundturstid er lang, har laserens kvantestøj (hovedsageligt spontan emissionsstøj) en lille indvirkning. Klassisk støj kan være forårsaget af mekaniske udsving, som kan afbødes ved at bruge en kompakt, kort laserresonator. Længdeudsving kan dog nogle gange have en stærkere effekt i endnu kortere resonatorer. Korrekt mekanisk design kan reducere koblingen mellem laserresonatoren og eksterne strålinger og også minimere termiske drifteffekter. Termiske udsving findes også i forstærkningsmediet, forårsaget af pumpeeffektudsving. For bedre støjydelse er der brug for andre aktive stabiliseringsenheder, men i første omgang er praktiske passive metoder at foretrække. Linjebredderne af enkelt-frekvens solid-state lasere og fiberlasere er i området 1-2 Hz, nogle gange endda under 1 kHz. Aktive stabiliseringsmetoder kan opnå linjebredder under 1 kHz. Linjebredderne af laserdioder er typisk i MHz-området, men kan reduceres til kHz, for eksempel i eksterne hulrumsdiodelasere, især dem med optisk feedback og højpræcisionsreferencehulrum.

IV. Problemer som følge af smalle linjebredder

1. Når kohærenslængden er lang, kan kohærenseffekter (på grund af svage parasitære refleksioner) forvrænge stråleformen. 1. I laserprojektionsskærme kan plettereffekter forstyrre overfladekvaliteten.

1. Når kohærenslængden er lang, kan kohærenseffekter (på grund af svage parasitære refleksioner) forvrænge stråleformen. 1. I laserprojektionsskærme kan plettereffekter forstyrre overfladekvaliteten.

2. Når lys forplanter sig i aktive eller passive optiske fibre, kan smalle liniebredder give problemer på grund af stimuleret Brillouin-spredning. I sådanne tilfælde er det nødvendigt at øge linjebredden, f.eks. ved hurtigt at dithere transientfrekvensen af ​​en laserdiode eller optisk modulator ved hjælp af strømmodulering. Linjebredde bruges også til at beskrive bredden af ​​optiske overgange (f.eks. laserovergange eller nogle absorptionsegenskaber). I overgangene af et stationært enkelt atom eller ion er linjebredden relateret til levetiden for den øvre energitilstand (mere præcist, levetiden mellem den øvre og nedre energitilstand), og kaldes den naturlige linjebredde. Bevægelsen (se Doppler-udvidelse) eller interaktionen af ​​atomer eller ioner kan udvide linjebredden, såsom trykudvidelse i gasser eller fonon-interaktioner i faste medier. Hvis forskellige atomer eller ioner påvirkes forskelligt, kan der forekomme uensartet udvidelse.