Hoy presentaremos un láser “monocromático” al extremo: un láser de ancho de línea estrecho. Su aparición llena los vacíos en muchos campos de aplicación del 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 puede cumplirse. completado sólo mejorando la potencia del 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 la frecuencia, que generalmente se cuantifica en términos del ancho total del espectro de medio pico (FWHM). El ancho de 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 línea, mayor será la pureza del espectro, es decir, mejor será la monocromaticidad del láser. Los láseres con tales características suelen tener muy poco ruido de fase o frecuencia y muy poco ruido de intensidad relativa. Al mismo tiempo, cuanto menor sea el valor de la anchura lineal del láser, más fuerte será 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 confiando en el propio oscilador tradicional. Para realizar el funcionamiento del láser de ancho de línea estrecho, normalmente es necesario utilizar filtros, rejillas y otros dispositivos para limitar o seleccionar el módulo longitudinal en el espectro de ganancia, aumentar la diferencia de ganancia neta entre los modos longitudinales, de modo que haya una pocas o incluso sólo 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 el ensanchamiento de las líneas espectrales causado por la vibración y los cambios de temperatura del entorno externo; Al mismo tiempo, también se puede combinar con el análisis de la densidad espectral del ruido de fase o frecuencia para comprender la fuente del ruido y optimizar el diseño del láser, a fin de lograr una salida estable del láser de ancho de línea estrecho.
Echemos un vistazo a la realización del funcionamiento con ancho de línea estrecho de varias categorías diferentes de láseres.
Los láseres semiconductores tienen las ventajas de un tamaño compacto, alta eficiencia, larga vida útil y beneficios económicos.
El resonador óptico Fabry-Perot (FP) utilizado en la tradicionalláseres semiconductoresgeneralmente oscila en modo multilongitudinal y el ancho de línea de salida es relativamente ancho, por lo que es necesario aumentar la retroalimentación óptica para obtener una salida de ancho de línea estrecho.
La retroalimentación distribuida (DFB) y la reflexión de Bragg distribuida (DBR) son dos láseres semiconductores de retroalimentación óptica interna típicos. Debido al pequeño paso de rejilla y a la buena selectividad de longitud de onda, es fácil lograr una salida estable de ancho de línea estrecho 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 de Bragg por todo el resonador, y el resonador del DBR generalmente se compone de la estructura de rejilla de reflexión y la región de ganancia integrada en la superficie final. Además, los láseres DFB utilizan rejillas integradas con bajo contraste de índice de refracción y baja reflectividad. Los láseres DBR utilizan rejillas de superficie con alto contraste de índice de refracción y alta reflectividad. Ambas estructuras tienen un amplio rango espectral libre y pueden realizar sintonización de longitud de onda sin salto de modo en el rango de unos pocos nanómetros, donde el láser DBR tiene un rango de sintonización más amplio que elLáser DFB. Además, la tecnología de retroalimentación óptica de cavidad externa, que utiliza elementos ópticos externos para realimentar la luz saliente del chip láser semiconductor y seleccionar la frecuencia, también puede realizar la operación de ancho de línea estrecho del láser semiconductor.
(2) Láseres de fibra
Los láseres de fibra tienen una alta eficiencia de conversión de bomba, buena calidad del haz y alta eficiencia de acoplamiento, que son los temas de investigación más candentes en el campo del láser. En el contexto de la era de la información, los láseres de fibra tienen buena compatibilidad con los sistemas de comunicación por fibra óptica actuales en el mercado. El láser de fibra de frecuencia única, con las ventajas de un ancho de línea estrecho, bajo ruido y buena coherencia, se ha convertido en una de las direcciones importantes de su desarrollo.
La operación en modo longitudinal único es el núcleo del láser de fibra para lograr una salida de ancho de línea estrecho, generalmente de acuerdo con la estructura del resonador del 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 escribe una rejilla de Bragg distribuida en la fibra. Debido a que la longitud de onda de trabajo del oscilador se ve afectada por el período de la fibra, el modo longitudinal se puede seleccionar mediante la retroalimentación distribuida de la rejilla. El resonador láser del láser DBR generalmente está formado por un par de rejillas de Bragg de fibra, y el modo longitudinal único se selecciona principalmente mediante rejillas de Bragg de fibra de banda estrecha y baja reflectividad. Sin embargo, debido a su largo resonador, su estructura compleja y la falta de un mecanismo eficaz de discriminación de frecuencia, la cavidad en forma de anillo es propensa a saltos de modo y es difícil trabajar de manera estable en modo longitudinal constante durante mucho tiempo.
Figura 1, Dos estructuras lineales típicas de frecuencia única.láseres de fibra
Hora de publicación: 27 de noviembre de 2023