Hoy, presentaremos un láser "monocromático" al láser extremo y estrecho de ancho de línea. Su emergencia llena los vacíos en muchos campos de aplicación de láser, y en los últimos años se ha utilizado ampliamente en la detección de ondas gravitacionales, LiDAR, detección distribuida, comunicación óptica coherente de alta velocidad y otros campos, lo cual es una "misión" que no se puede completar solo al mejorar la potencia láser.
¿Qué es un láser de ancho de línea estrecho?
El término "ancho de línea" se refiere al ancho de línea espectral del láser en el dominio de frecuencia, que generalmente se cuantifica en términos del ancho completo de medio pico del espectro (FWHM). El ancho de la línea se ve afectado principalmente por la radiación espontánea de átomos o iones excitados, ruido de fase, vibración mecánica del resonador, fluctuación de temperatura y otros factores externos. Cuanto menor sea el valor del ancho de la línea, mayor es la pureza del espectro, es decir, mejor será la monocromaticidad del láser. Los láseres con tales características generalmente tienen muy poco ruido de fase o frecuencia y muy poco ruido de intensidad relativa. Al mismo tiempo, cuanto más pequeño es el valor de ancho lineal del láser, más fuerte es la coherencia correspondiente, que se manifiesta como una longitud de coherencia extremadamente larga.
Realización y aplicación de láser de ancho de línea estrecho
Limitado por el ancho de línea de ganancia inherente de la sustancia de trabajo del láser, es casi imposible realizar directamente la salida del láser de ancho de línea estrecho al confiar en el oscilador tradicional. Para realizar el funcionamiento del láser de ancho de línea estrecho, generalmente es necesario usar filtros, rejillas y otros dispositivos para limitar o seleccionar el módulo longitudinal en el espectro de ganancia, aumente la diferencia de ganancia neta entre los modos longitudinales, de modo que haya unos pocos o solo una oscilación de modo longitudinal en el resonador láser. En este proceso, a menudo es necesario controlar la influencia del ruido en la salida del láser y minimizar la ampliación de las líneas espectrales causadas por los cambios de vibración y temperatura del entorno externo; Al mismo tiempo, también se puede combinar con el análisis de la densidad espectral de fase o ruido de frecuencia para comprender la fuente de ruido y optimizar el diseño del láser, para lograr una salida estable del láser de ancho de línea estrecho.
Echemos un vistazo a la realización de la operación estrecha de ancho de línea de varias categorías diferentes de láseres.
Los láseres de semiconductores tienen las ventajas de tamaño compacto, alta eficiencia, larga vida y beneficios económicos.
El resonador óptico Fabry-Perot (FP) utilizado en tradicionalláseres de semiconductoresGeneralmente oscila en modo multi-longitudinal, y el ancho de la línea de salida es relativamente ancho, por lo que es necesario aumentar la retroalimentación óptica para obtener la salida de ancho de línea estrecha.
La retroalimentación distribuida (DFB) y la reflexión distribuida de Bragg (DBR) son dos láseres de semiconductores de retroalimentación óptica interna típica. Debido al pequeño tono de rejilla y una buena selectividad de longitud de onda, es fácil lograr una salida estable de ancho de línea estrecha de frecuencia única. La principal diferencia entre las dos estructuras es la posición de la rejilla: la estructura DFB generalmente distribuye la estructura periódica de la rejilla Bragg a lo largo del resonador, y el resonador del DBR generalmente está compuesto por la estructura de rejilla de reflexión y la región de ganancia integrada en la superficie final. Además, los láseres DFB usan rejillas integradas con bajo contraste del índice de refracción y baja reflectividad. Los láseres de DBR usan rejillas de superficie con alto contraste del índice de refracción y alta reflectividad. Ambas estructuras tienen un gran rango espectral libre y pueden realizar un ajuste de longitud de onda sin saltar en el rango de unos pocos nanómetros, donde el láser DBR tiene un rango de ajuste más amplio que elLáser DFB. Además, la tecnología de retroalimentación óptica de cavidad externa, que utiliza elementos ópticos externos para retroalimentar la luz saliente del chip láser semiconductor y seleccionar la frecuencia, también puede realizar la operación estrecha de ancho de línea del láser semiconductor.
(2) láser de fibra
Los láseres de fibra tienen una alta eficiencia de conversión de bombas, buena calidad del haz y alta eficiencia de acoplamiento, que son los temas de investigación en el campo láser. En el contexto de la era de la información, los láseres de fibra tienen una buena compatibilidad con los sistemas actuales de comunicación de fibra óptica en el mercado. El láser de fibra de frecuencia única con las ventajas del ancho de línea estrecha, el bajo ruido y la buena coherencia se ha convertido en una de las direcciones importantes de su desarrollo.
La operación de modo longitudinal único es el núcleo del láser de fibra para lograr una salida de ancho de línea estrecha, generalmente de acuerdo con la estructura del resonador de láser de fibra de frecuencia única se puede dividir en tipo DFB, tipo DBR y tipo de anillo. Entre ellos, el principio de funcionamiento de los láseres de fibra de frecuencia única DFB y DBR es similar al de los láseres semiconductores DFB y DBR.
Como se muestra en la Figura 1, el láser de fibra DFB es escribir rejilla Bragg distribuida en la fibra. Debido a que la longitud de onda de trabajo del oscilador se ve afectada por el período de fibra, el modo longitudinal se puede seleccionar a través de la retroalimentación distribuida de la rejilla. El resonador láser del láser DBR generalmente está formado por un par de rejillas de fibra Bragg, y el modo longitudinal único se selecciona principalmente mediante una banda estrecha y rejillas de fibra de reflectividad Bragg. Sin embargo, debido a su largo resonador, estructura compleja y falta de mecanismo efectivo de discriminación de frecuencia, la cavidad en forma de anillo es propensa al salto de modo, y es difícil trabajar de manera estable en modo longitudinal constante durante mucho tiempo.
Figura 1, dos estructuras lineales típicas de frecuencia únicaláser de fibra
Tiempo de publicación: Nov-27-2023