Šiandien pristatysime kraštutinį „monochromatinį“ lazerį – siauro linijinio pločio lazerį. Jo atsiradimas užpildo spragas daugelyje lazerio taikymo sričių ir pastaraisiais metais buvo plačiai naudojamas gravitacinių bangų aptikime, liDAR, paskirstytame jutiklyje, didelės spartos koherentiniame optiniame ryšyje ir kitose srityse, o tai yra „misija“, kurios negalima įvykdyti vien tik tobulinant lazerio galią.
Kas yra siauro linijinio pločio lazeris?
Terminas „linijos plotis“ reiškia lazerio spektrinės linijos plotį dažnių srityje, kuris paprastai išreiškiamas pusinės amplitudės pilnu spektro pločiu (FWHM). Linijos plotį daugiausia veikia sužadintų atomų ar jonų savaiminė spinduliuotė, fazinis triukšmas, rezonatoriaus mechaninė vibracija, temperatūros virpėjimas ir kiti išoriniai veiksniai. Kuo mažesnė linijos pločio vertė, tuo didesnis spektro grynumas, t. y. tuo geresnis lazerio monochromatinis charakteristikas. Tokių charakteristikų lazeriai paprastai turi labai mažą fazinį ar dažninį triukšmą ir labai mažą santykinio intensyvumo triukšmą. Tuo pačiu metu, kuo mažesnė lazerio linijinio pločio vertė, tuo stipresnė atitinkama koherencija, kuri pasireiškia kaip itin ilgas koherencijos ilgis.
Siauro linijinio pločio lazerio realizavimas ir taikymas
Dėl lazerio darbinės medžiagos būdingo stiprinimo linijos pločio apribojimų beveik neįmanoma tiesiogiai realizuoti siauro linijinio pločio lazerio išėjimo signalo, naudojant patį tradicinį osciliatorių. Norint realizuoti siauro linijinio pločio lazerio veikimą, paprastai reikia naudoti filtrus, gardeles ir kitus įtaisus, kad būtų apribotas arba parinktas išilginis stiprinimo spektro modulis, padidintas grynasis stiprinimo skirtumas tarp išilginių modų, kad lazerio rezonatoriuje būtų keli arba net tik vienas išilginio modos virpesys. Šiame procese dažnai reikia kontroliuoti triukšmo įtaką lazerio išėjimui ir sumažinti spektrinių linijų išplitimą, kurį sukelia išorinės aplinkos vibracija ir temperatūros pokyčiai; tuo pačiu metu tai taip pat galima derinti su fazės ar dažnio triukšmo spektrinio tankio analize, kad būtų galima suprasti triukšmo šaltinį ir optimizuoti lazerio konstrukciją, kad būtų pasiektas stabilus siauro linijinio pločio lazerio išėjimas.
Panagrinėkime kelių skirtingų kategorijų lazerių siauro linijos pločio veikimo realizaciją.
Puslaidininkiniai lazeriai pasižymi kompaktišku dydžiu, dideliu efektyvumu, ilgu tarnavimo laiku ir ekonomiškumu.
Fabry-Perot (FP) optinis rezonatorius, naudojamas tradicinėsepuslaidininkiniai lazeriaipaprastai svyruoja daugiaišilginiu režimu, o išėjimo linijos plotis yra gana platus, todėl norint gauti siauro linijos pločio išvestį, būtina padidinti optinį grįžtamąjį ryšį.
Paskirstytas grįžtamasis ryšys (DFB) ir paskirstytas Brego atspindys (DBR) yra du tipiški vidinio optinio grįžtamojo ryšio puslaidininkiniai lazeriai. Dėl mažo gardelės žingsnio ir gero bangos ilgio selektyvumo lengva pasiekti stabilų vieno dažnio siauro linijos pločio išvestį. Pagrindinis skirtumas tarp šių dviejų struktūrų yra gardelės padėtis: DFB struktūra paprastai paskirsto periodinę Brego gardelės struktūrą visame rezonatoriuje, o DBR rezonatorius paprastai sudarytas iš atspindžio gardelės struktūros ir stiprinimo srities, integruotos į galinį paviršių. Be to, DFB lazeriuose naudojamos įterptosios gardelės, pasižyminčios mažu lūžio rodiklio kontrastu ir mažu atspindžiu. DBR lazeriuose naudojamos paviršiaus gardelės, pasižyminčios dideliu lūžio rodiklio kontrastu ir dideliu atspindžiu. Abi struktūros turi didelį laisvąjį spektrinį diapazoną ir gali atlikti bangos ilgio derinimą be režimo šuolio kelių nanometrų diapazone, kur DBR lazerio derinimo diapazonas yra platesnis nei...DFB lazerisBe to, išorinio rezonatoriaus optinio grįžtamojo ryšio technologija, kuri naudoja išorinius optinius elementus puslaidininkinio lazerio lusto išeinančiai šviesai grąžinti ir dažniui parinkti, taip pat gali realizuoti siauro linijos pločio puslaidininkinio lazerio veikimą.
(2) Skaiduliniai lazeriai
Skaiduliniai lazeriai pasižymi dideliu siurblio konversijos efektyvumu, gera spindulio kokybe ir dideliu sujungimo efektyvumu, o tai yra karštos lazerių srities tyrimų temos. Informacijos amžiuje skaiduliniai lazeriai yra gerai suderinami su dabartinėmis rinkoje esančiomis optinių skaidulų ryšio sistemomis. Vieno dažnio skaidulinis lazeris, pasižymintis siauru linijos pločiu, mažu triukšmu ir geru koherenciniu našumu, tapo viena iš svarbių jo plėtros krypčių.
Vieno išilginio režimo veikimas yra pluošto lazerio pagrindas, siekiant siauro linijos pločio išvesties. Paprastai pagal vieno dažnio pluošto lazerio rezonatoriaus struktūrą jį galima suskirstyti į DFB, DBR ir žiedinius. DFB ir DBR vieno dažnio pluošto lazerių veikimo principas yra panašus į DFB ir DBR puslaidininkinių lazerių veikimo principą.
Kaip parodyta 1 paveiksle, DFB pluošto lazeris skirtas į pluoštą įrašyti paskirstytą Brego gardelę. Kadangi osciliatoriaus darbinis bangos ilgis priklauso nuo pluošto periodo, išilginę modą galima pasirinkti per paskirstytą gardelės grįžtamąjį ryšį. DBR lazerio rezonatorių paprastai sudaro pora pluošto Brego gardelių, o vieną išilginę modą daugiausia sudaro siaurajuostės ir mažo atspindžio pluošto Brego gardelės. Tačiau dėl ilgo rezonatoriaus, sudėtingos struktūros ir efektyvaus dažnio diskriminavimo mechanizmo trūkumo žiedo formos ertmė yra linkusi į modų šuolius, todėl sunku ilgą laiką stabiliai dirbti pastoviu išilginiu režimu.
1 pav. Dvi tipinės vieno dažnio linijinės struktūrosskaiduliniai lazeriai
Įrašo laikas: 2023 m. lapkričio 27 d.