Lasere med smal linjebredde

Noen laserapplikasjoner krever at laseren har en veldig smal linjebredde, det vil si et smalt spektrum. Lasere med smal linjebredde refererer til enkeltfrekvenslasere, det vil si at det er en resonant hulromsmodus i laserverdien, og fasestøyen er veldig lav, så den spektrale renheten er veldig høy. Vanligvis har slike lasere svært lav intensitetsstøy.

De viktigste typene lasere med smal linjebredde er som følger:

1. Halvlederlasere, distribuerte feedback-laserdioder (DFB-lasere) og distribuerte Bragg-refleksjonslasere (DBR-lasere), er mest brukt i 1500 eller 1000nm-regionen. Typiske driftsparametre er en utgangseffekt på titalls milliwatt (noen ganger større enn 100 milliwatt) og en linjebredde på flere MHz.

2. Smalere linjebredder kan oppnås med halvlederlasere, for eksempel ved å utvide resonatoren med en enkeltmodusfiber som inneholder et smalbåndsfiber Bragg-gitter, eller ved å bruke en ekstern hulromsdiodelaser. Ved å bruke denne metoden kan en ultrasmal linjebredde på flere kHz eller til og med mindre enn 1 kHz oppnås.

3. Små distribuerte tilbakemeldingsfiberlasere (resonatorer laget av spesielle fiber Bragg-gitter) kan generere utgangseffekter på titalls milliwatt med linjebredder i kHz-området.

4. Diodepumpede solid-state kroppslasere med ikke-plane ringresonatorer kan også oppnå en linjebredde på flere kHz, mens utgangseffekten er relativt høy, i størrelsesorden 1W. Selv om en typisk bølgelengde er 1064nm, er andre bølgelengdeområder som 1300 eller 1500nm også mulige.

De viktigste faktorene som påvirker den smale linjebredden til lasere

For å oppnå en laser med en veldig smal strålingsbåndbredde (linjebredde), må følgende faktorer vurderes i laserdesign:

Først må enfrekvensdrift oppnås. Dette oppnås enkelt ved å bruke et forsterkningsmedium med liten forsterkningsbåndbredde og et kort laserhulrom (som resulterer i et stort fritt spektralområde). Målet bør være langsiktig stabil enkeltfrekvensdrift uten modushopping.

For det andre må påvirkningen av ekstern støy minimeres. Dette krever et stabilt resonatoroppsett (monokrom), eller spesiell beskyttelse mot mekaniske vibrasjoner. Elektrisk pumpede lasere må bruke strøm- eller spenningskilder med lav støy, mens optisk pumpede lasere må ha lav intensitetsstøy som pumpelyskilde. I tillegg må alle tilbakemeldingslysbølger unngås, for eksempel ved å bruke Faraday-isolatorer. I teorien har ekstern støy mindre innflytelse enn intern støy, for eksempel spontan emisjon i forsterkningsmediet. Dette er enkelt å oppnå når støyfrekvensen er høy, men når støyfrekvensen er lav er effekten på linjebredden viktigst.

For det tredje må laserdesign optimaliseres for å minimere laserstøy, spesielt fasestøy. Høy intrakavitetseffekt og lange resonatorer foretrekkes, selv om stabil enkeltfrekvensdrift er vanskeligere å oppnå i dette tilfellet.

Systemoptimalisering krever forståelse for viktigheten av de ulike støykildene, siden det kreves ulike målinger avhengig av den dominerende støykilden. For eksempel minimerer linjebredden som er minimert i henhold til Schawlow-Townes-ligningen, ikke nødvendigvis den faktiske linjebredden hvis den faktiske linjebredden bestemmes av mekanisk støy.

Støyegenskaper og ytelsesspesifikasjoner.

Både støyegenskapene og ytelsesmålingene til lasere med smal linjebredde er trivielle problemer. Ulike måleteknikker er omtalt i oppføringen Linewidth, spesielt linjebredder på noen få kHz eller mindre er krevende. I tillegg kan ikke bare ta i betraktning linjebreddeverdien gi alle støykarakteristikk; det er nødvendig å gi et fullstendig fasestøyspektrum, samt informasjon om relativ intensitetsstøy. Linjebreddeverdien må kombineres med minst måletiden, eller annen informasjon som tar hensyn til den langsiktige frekvensdriften.

Selvfølgelig har forskjellige applikasjoner forskjellige krav, og hvilket nivå av støyytelsesindeks som må vurderes i forskjellige faktiske situasjoner.

Bruk av lasere med smal linjebredde

1. En svært viktig applikasjon er innen sensing, for eksempel trykk- eller temperaturfiberoptiske sensorer, ulike interferometersensorer, bruk av forskjellige absorpsjons-LIDAR for å oppdage og spore gass, og bruk av Doppler-LIDAR for å måle vindhastighet. Noen fiberoptiske sensorer krever en laserlinjebredde på flere kHz, mens i LIDAT-målinger er en 100kHz linjebredde tilstrekkelig.

2. Optiske frekvensmålinger krever svært smale kildelinjebredder, noe som krever stabiliseringsteknikker for å oppnå.

3. Optiske fiberkommunikasjonssystemer har relativt løse krav til linjebredde, og brukes hovedsakelig til sendere eller til deteksjon eller måling.