Hoy presentaremos un láser «monocromático» extremo: el láser de línea espectral estrecha. Su aparición cubre las necesidades de muchos campos de aplicación del láser y, en los últimos años, se ha utilizado ampliamente en la detección de ondas gravitacionales, LiDAR, sensores distribuidos, comunicaciones ópticas coherentes de alta velocidad y otros campos. Esta es una «misión» que no se puede completar únicamente aumentando la potencia del láser.
¿Qué es un láser de línea espectral estrecha?
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 a media altura (FWHM). El ancho de línea se ve afectado principalmente por la radiación espontánea de átomos o iones excitados, el ruido de fase, la vibración mecánica del resonador, las variaciones de temperatura y otros factores externos. Cuanto menor sea el ancho de línea, mayor será la pureza del espectro, es decir, mejor será la monocromaticidad del láser. Los láseres con estas características suelen presentar muy poco ruido de fase o frecuencia y muy poco ruido de intensidad relativa. Asimismo, cuanto menor sea el ancho de línea del láser, mayor será la coherencia correspondiente, que se manifiesta como una longitud de coherencia extremadamente larga.
Realización y aplicación de láseres de línea espectral estrecha
Debido a la limitación inherente del ancho de línea de ganancia del material activo del láser, es prácticamente imposible obtener directamente la salida de un láser de línea espectral estrecha utilizando únicamente un oscilador tradicional. Para lograr el funcionamiento de un láser de línea espectral estrecha, generalmente se requieren filtros, rejillas de difracción y otros dispositivos para limitar o seleccionar el módulo longitudinal en el espectro de ganancia, aumentando así la diferencia de ganancia neta entre los modos longitudinales. De esta manera, se reduce al mínimo, o incluso a la presencia de un único modo longitudinal, de oscilación en el resonador láser. En este proceso, suele ser necesario controlar la influencia del ruido en la salida del láser y minimizar el ensanchamiento de las líneas espectrales causado por las vibraciones y los cambios de temperatura del entorno. Asimismo, se puede combinar este análisis con el de la densidad espectral del ruido de fase o frecuencia para comprender su origen y optimizar el diseño del láser, logrando así una salida estable del láser de línea espectral estrecha.
Analicemos la implementación del funcionamiento con ancho de línea estrecho en 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 tecnología tradicionalláseres semiconductoresGeneralmente oscila en modo multilongitudinal y el ancho de línea de salida es relativamente amplio, por lo que es necesario aumentar la retroalimentación óptica para obtener una salida de ancho de línea estrecho.
Los láseres de realimentación distribuida (DFB) y de reflexión de Bragg distribuida (DBR) son dos ejemplos típicos de láseres semiconductores con realimentación óptica interna. Gracias a su pequeño paso de rejilla y buena selectividad de longitud de onda, es fácil obtener una salida estable de frecuencia única y ancho de línea estrecho. La principal diferencia entre ambas estructuras radica en la posición de la rejilla: en la estructura DFB, la rejilla de Bragg se distribuye periódicamente a lo largo del resonador, mientras que en el DBR, el resonador suele estar compuesto por la rejilla de reflexión y la región de ganancia integradas en la superficie final. Además, los láseres DFB utilizan rejillas embebidas con bajo contraste de índice de refracción y baja reflectividad, mientras que los láseres DBR utilizan rejillas superficiales con alto contraste de índice de refracción y alta reflectividad. Ambas estructuras presentan un amplio rango espectral libre y permiten la sintonización de longitud de onda sin salto de modo en el rango de unos pocos nanómetros, si bien el láser DBR ofrece un rango de sintonización aún mayor.Láser DFBAdemás, la tecnología de retroalimentación óptica de cavidad externa, que utiliza elementos ópticos externos para retroalimentación de la luz saliente del chip láser semiconductor y seleccionar la frecuencia, también puede lograr el funcionamiento con ancho de línea estrecho del láser semiconductor.
(2) Láseres de fibra
Los láseres de fibra presentan una alta eficiencia de conversión de bombeo, una buena calidad de haz y una elevada eficiencia de acoplamiento, características que los convierten en temas de investigación de gran interés en el campo láser. En la era de la información, los láseres de fibra ofrecen una excelente compatibilidad con los sistemas de comunicación por fibra óptica disponibles en el mercado. El láser de fibra de frecuencia única, con sus ventajas de línea espectral estrecha, bajo ruido y buena coherencia, se ha consolidado como una de las principales líneas de desarrollo en este campo.
El funcionamiento en modo longitudinal único es fundamental para que los láseres de fibra logren una salida de línea espectral estrecha. Generalmente, según la estructura del resonador, los láseres de fibra de frecuencia única se clasifican en tipo DFB, tipo DBR y tipo anillo. Su principio de funcionamiento es similar al de los láseres semiconductores DFB y DBR.
Como se muestra en la Figura 1, el láser de fibra DFB utiliza una rejilla de Bragg distribuida grabada en la fibra. Dado que la longitud de onda de trabajo del oscilador se ve afectada por el periodo de la fibra, el modo longitudinal se puede seleccionar mediante la realimentación distribuida de la rejilla. El resonador láser del láser DBR suele estar formado por un par de rejillas de Bragg de fibra, y el modo longitudinal se selecciona principalmente mediante rejillas de Bragg de fibra de banda estrecha y baja reflectividad. Sin embargo, debido a la longitud de su resonador, su estructura compleja y la falta de un mecanismo eficaz de discriminación de frecuencia, la cavidad en forma de anillo es propensa al salto de modo y resulta difícil mantener un modo longitudinal constante durante un tiempo prolongado.
Figura 1. Dos estructuras lineales típicas de frecuencia única.láseres de fibra
Fecha de publicación: 27 de noviembre de 2023