Лазеры с узкой шириной линии

Некоторые лазерные применения требуют, чтобы лазер имел очень узкую ширину линии, то есть узкий спектр. Лазеры с узкой шириной линии относятся к одночастотным лазерам, то есть в лазерном значении присутствует режим резонансного резонатора, а фазовый шум очень низкий, поэтому спектральная чистота очень высока. Обычно такие лазеры имеют шум очень низкой интенсивности.

Наиболее важными типами лазеров с узкой шириной линии являются следующие:

1. Полупроводниковые лазеры, лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB-лазеры) и лазеры с распределенным брэгговским отражением (DBR-лазеры) чаще всего используются в диапазоне длин волн 1500 или 1000 нм. Типичными рабочими параметрами являются выходная мощность в десятки милливатт (иногда более 100 милливатт) и ширина линии в несколько МГц.

2. Более узкую ширину линии можно получить с помощью полупроводниковых лазеров, например, расширив резонатор одномодовым волокном, содержащим узкополосную волоконную брэгговскую решетку, или используя диодный лазер с внешним резонатором. Используя этот метод, можно достичь сверхузкой ширины линии в несколько кГц или даже менее 1 кГц.

3. Небольшие волоконные лазеры с распределенной обратной связью (резонаторы из специальных волоконных брэгговских решеток) способны генерировать выходную мощность в десятки милливатт с шириной линии в диапазоне кГц.

4. Твердотельные лазеры с диодной накачкой и неплоскими кольцевыми резонаторами также позволяют получить ширину линии в несколько кГц при относительно высокой выходной мощности, порядка 1 Вт. Хотя типичная длина волны составляет 1064 нм, возможны и другие области длин волн, например 1300 или 1500 нм.

Основные факторы, влияющие на узкую ширину линии лазеров

Чтобы создать лазер с очень узкой полосой излучения (шириной линии), при проектировании лазера необходимо учитывать следующие факторы:

Во-первых, необходимо добиться одночастотной работы. Этого легко достичь, используя усиливающую среду с небольшой полосой усиления и коротким резонатором лазера (что приводит к большому свободному спектральному диапазону). Целью должна быть долгосрочная стабильная одночастотная работа без скачкообразной перестройки режима.

Во-вторых, необходимо свести к минимуму влияние внешнего шума. Для этого требуется устойчивая установка резонатора (монохромный) или специальная защита от механических вибраций. Лазеры с электрической накачкой должны использовать малошумящие источники тока или напряжения, тогда как лазеры с оптической накачкой должны иметь шум низкой интенсивности в качестве источника света накачки. Кроме того, необходимо избегать всех световых волн обратной связи, например, используя изоляторы Фарадея. Теоретически внешний шум оказывает меньшее влияние, чем внутренний шум, например спонтанное излучение в усиливающей среде. Этого легко добиться, когда частота шума высока, но когда частота шума низкая, влияние на ширину линии является наиболее важным.

В-третьих, конструкция лазера должна быть оптимизирована для минимизации лазерного шума, особенно фазового шума. Предпочтительны высокая внутрирезонаторная мощность и длинные резонаторы, хотя в этом случае добиться стабильной одночастотной работы сложнее.

Оптимизация системы требует понимания важности различных источников шума, поскольку в зависимости от доминирующего источника шума требуются разные измерения. Например, ширина линии, минимизированная в соответствии с уравнением Шавлоу-Таунса, не обязательно минимизирует фактическую ширину линии, если фактическая ширина линии определяется механическим шумом.

Шумовые характеристики и эксплуатационные характеристики.

Как шумовые характеристики, так и показатели производительности лазеров с узкой шириной линии являются тривиальными проблемами. Различные методы измерения обсуждаются в разделе «Ширина линии», особенно требовательны к ширине линии в несколько кГц или меньше. Кроме того, учет только значения ширины линии не может дать все характеристики шума; необходимо предоставить полный спектр фазового шума, а также информацию об относительной интенсивности шума. Значение ширины линии необходимо объединить, по крайней мере, со временем измерения или другой информацией, учитывающей долговременный дрейф частоты.

Конечно, разные приложения предъявляют разные требования, и какой показатель уровня шума необходимо учитывать в разных реальных ситуациях.

Применение лазеров с узкой шириной линии

1. Очень важное применение находится в области зондирования, например, волоконно-оптические датчики давления или температуры, различные интерферометрические измерения, использование различных абсорбционных лидаров для обнаружения и отслеживания газа, а также использование доплеровского лидара для измерения скорости ветра. Некоторым волоконно-оптическим датчикам требуется ширина линии лазера в несколько кГц, тогда как при измерениях LIDAT достаточно ширины линии 100 кГц.

2. Измерения оптической частоты требуют очень узкой ширины линии источника, для достижения которой требуются методы стабилизации.

3. Системы оптоволоконной связи имеют относительно низкие требования к ширине линии и в основном используются для передатчиков или для обнаружения или измерения.