Definisjon av linjebredde i lasere

Linjebredden til en laser, spesielt en enkeltfrekvenslaser, refererer til bredden på spekteret (vanligvis full bredde ved halv maksimum, FWHM). Mer presist er det bredden på det utstrålte elektriske felteffektspektraltettheten, uttrykt i form av frekvens, bølgetall eller bølgelengde. Linjebredden til en laser er nært knyttet til tidsmessig koherens og er preget av koherenstid og koherenslengde. Hvis fasen gjennomgår et ubegrenset skifte, bidrar fasestøy til linjebredden; dette er tilfellet med frie oscillatorer. (Fasefluktuasjoner begrenset til et veldig lite faseintervall gir null linjebredde og noen støysidebånd.) Forskyvninger i resonanshulrommets lengde bidrar også til linjebredden og gjør den avhengig av måletiden. Dette indikerer at linjebredden alene, eller til og med en ønskelig spektral form (linjeform), ikke kan gi den fulle informasjonen om laserspekteret.

II. Måling av laserlinjebredde

Mange teknikker kan brukes til å måle laserlinjebredde:

1. Når linjebredden er relativt stor (>10 GHz, når flere moduser oscillerer i flere laserresonanshulrom), kan den måles ved å bruke et tradisjonelt spektrometer som bruker et diffraksjonsgitter. Det er imidlertid vanskelig å oppnå høyfrekvent oppløsning ved å bruke denne metoden.

2. En annen metode er å bruke en frekvensdiskriminator for å konvertere frekvenssvingninger til intensitetssvingninger. Diskriminatoren kan være et ubalansert interferometer eller et referansehulrom med høy presisjon. Denne målemetoden har også begrenset oppløsning.

3. Enkeltfrekvenslasere bruker vanligvis en selvheterodynmetode, som registrerer slaget mellom laserutgangen og dens egen frekvens etter offset og forsinkelse.

4. For linjebredder på flere hundre hertz er tradisjonelle selvheterodynteknikker upraktiske fordi de krever en stor forsinkelseslengde. En syklisk fibersløyfe og en innebygd fiberforsterker kan brukes for å forlenge denne lengden.

2. Når lys forplanter seg i aktive eller passive optiske fibre, kan smale linjebredder forårsake problemer på grunn av stimulert Brillouin-spredning. I slike tilfeller er det nødvendig å øke linjebredden, for eksempel ved å raskt vibrere transientfrekvensen til en laserdiode eller optisk modulator ved bruk av strømmodulasjon. Linjebredde brukes også til å beskrive bredden på optiske overganger (f.eks. laseroverganger eller noen absorpsjonsegenskaper). I overgangene til et stasjonært enkelt atom eller ion er linjebredden relatert til levetiden til den øvre energitilstanden (mer presist, levetiden mellom den øvre og nedre energitilstanden), og kalles den naturlige linjebredden. Bevegelsen (se Dopplerutvidelse) eller interaksjonen mellom atomer eller ioner kan utvide linjebredden, for eksempel trykkutvidelse i gasser eller fononinteraksjoner i faste medier. Hvis forskjellige atomer eller ioner påvirkes ulikt, kan det oppstå ujevn utvidelse.

Optiske frekvensmålinger krever ofte en spesifikk frekvens (eller tids)referanse på et tidspunkt. For lasere med smal linjebredde er det bare nødvendig med en enkelt referansestråle for å gi en tilstrekkelig nøyaktig referanse. Selv-heterodyne-teknikker oppnår en frekvensreferanse ved å bruke en tilstrekkelig lang tidsforsinkelse på selve testoppsettet, og unngår ideelt sett tidsmessig koherens mellom den opprinnelige strålen og dens egen forsinkede stråle. Derfor brukes vanligvis lange optiske fibre. På grunn av stabile svingninger og akustiske effekter introduserer imidlertid lange fibre ekstra fasestøy.

1. Når linjebredden er relativt stor (>10 GHz, når flere moduser oscillerer i flere laserresonanshulrom), kan den måles ved å bruke et tradisjonelt spektrometer som bruker et diffraksjonsgitter. Det er imidlertid vanskelig å oppnå høyfrekvent oppløsning ved å bruke denne metoden.

III. Minimerer laserlinjebredden

4. For linjebredder på flere hundre hertz er tradisjonelle selvheterodynteknikker upraktiske fordi de krever en stor forsinkelseslengde. En syklisk fibersløyfe og en innebygd fiberforsterker kan brukes for å forlenge denne lengden.

Optiske frekvensmålinger krever ofte en spesifikk frekvens (eller tids)referanse på et tidspunkt. For lasere med smal linjebredde er det bare nødvendig med en enkelt referansestråle for å gi en tilstrekkelig nøyaktig referanse. Selv-heterodyne-teknikker oppnår en frekvensreferanse ved å bruke en tilstrekkelig lang tidsforsinkelse på selve testoppsettet, og unngår ideelt sett tidsmessig koherens mellom den opprinnelige strålen og dens egen forsinkede stråle. Derfor brukes vanligvis lange optiske fibre. På grunn av stabile svingninger og akustiske effekter introduserer imidlertid lange fibre ekstra fasestøy.

IV. Problemer som oppstår fra smale linjebredder

I noen tilfeller er en veldig smal strålebredde fra laserkilden ikke nødvendig:

1. Når koherenslengden er lang, kan koherenseffekter (på grunn av svake parasittiske refleksjoner) forvrenge stråleformen. 1. I laserprojeksjonsskjermer kan flekkeffekter forstyrre overflatekvaliteten.

2. Når lys forplanter seg i aktive eller passive optiske fibre, kan smale linjebredder forårsake problemer på grunn av stimulert Brillouin-spredning. I slike tilfeller er det nødvendig å øke linjebredden, for eksempel ved å raskt vibrere transientfrekvensen til en laserdiode eller optisk modulator ved bruk av strømmodulasjon. Linjebredde brukes også til å beskrive bredden på optiske overganger (f.eks. laseroverganger eller noen absorpsjonsegenskaper). I overgangene til et stasjonært enkelt atom eller ion er linjebredden relatert til levetiden til den øvre energitilstanden (mer presist, levetiden mellom den øvre og nedre energitilstanden), og kalles den naturlige linjebredden. Bevegelsen (se Dopplerutvidelse) eller interaksjonen mellom atomer eller ioner kan utvide linjebredden, for eksempel trykkutvidelse i gasser eller fononinteraksjoner i faste medier. Hvis forskjellige atomer eller ioner påvirkes ulikt, kan det oppstå ujevn utvidelse.