Hoy les presentaremos un láser "monocromático" extremo: un láser de ancho de línea estrecho. 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, comunicación óptica coherente de alta velocidad y otros campos, una "misión" que no se puede completar simplemente 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 completo 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, la 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 estas 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 del ancho de línea del láser, mayor será la coherencia correspondiente, que se manifiesta como una longitud de coherencia extremadamente larga.
Realización y aplicación de un láser de ancho de línea estrecho
Debido a la limitación inherente del ancho de línea de ganancia de la sustancia activa del láser, es prácticamente imposible obtener directamente un láser de ancho de línea estrecho utilizando un oscilador tradicional. Para lograrlo, suele ser necesario emplear filtros, rejillas y otros dispositivos que limiten o seleccionen el módulo longitudinal en el espectro de ganancia, aumentando la diferencia de ganancia neta entre los modos longitudinales, de modo que haya pocas oscilaciones de modo longitudinal, o incluso solo una, 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 las vibraciones y los cambios de temperatura del entorno externo. Asimismo, 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, logrando así una salida estable del láser de ancho de línea estrecho.
Analicemos cómo se logra el funcionamiento con ancho de línea estrecho en varias categorías diferentes de láseres.
Los láseres semiconductores presentan las ventajas de un tamaño compacto, alta eficiencia, larga vida útil y beneficios económicos.
El resonador óptico Fabry-Perot (FP) utilizado en los dispositivos tradicionalesláseres 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 semiconductores de retroalimentación óptica interna típicos son los de retroalimentación distribuida (DFB) y los de reflexión de Bragg distribuida (DBR). Debido al pequeño paso de la 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, mientras que 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 superficiales 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 el DBR.láser DFBAdemás, 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 lograr el funcionamiento de ancho de línea estrecho del láser semiconductor.
(2) Láseres de fibra
Los láseres de fibra poseen una alta eficiencia de conversión de bombeo, buena calidad de haz y alta eficiencia de acoplamiento, características que los convierten en temas de investigación de gran interés en el campo de los láseres. En el contexto de la era de la información, los láseres de fibra presentan una buena compatibilidad con los sistemas de comunicación por fibra óptica actuales. El láser de fibra de frecuencia única, con sus ventajas de ancho de línea estrecho, bajo ruido y buena coherencia, se ha convertido en una de las líneas de desarrollo más importantes.
El funcionamiento en modo longitudinal único es fundamental para que los láseres de fibra logren una salida de ancho de línea estrecho. Generalmente, según la estructura del resonador, los láseres de fibra de frecuencia única se dividen en tipo DFB, tipo DBR y tipo anillo. 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 graba 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 de un láser DBR generalmente se forma con 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 al salto de modo, y es difícil que funcione de forma estable en 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