Определение ширины линии в лазерах

Ширина линии лазера, особенно одночастотного лазера, относится к ширине его спектра (обычно полная ширина на половине высоты, FWHM). Точнее, это ширина спектральной плотности мощности излучаемого электрического поля, выраженная через частоту, волновое число или длину волны. Ширина линии лазера тесно связана с временной когерентностью и характеризуется временем когерентности и длиной когерентности. Если фаза подвергается неограниченному сдвигу, фазовый шум увеличивает ширину линии; так обстоит дело со свободными осцилляторами. (Флуктуации фазы, ограниченные очень малым фазовым интервалом, приводят к нулевой ширине линии и некоторым боковым полосам шума.) Сдвиги длины резонансной полости также способствуют увеличению ширины линии и делают ее зависимой от времени измерения. Это указывает на то, что сама по себе ширина линии или даже желаемая спектральная форма (линия) не могут предоставить полную информацию о спектре лазера.

II. Лазерное измерение ширины линии

Для измерения ширины линии лазера можно использовать множество методов:

1. Когда ширина линии относительно велика (> 10 ГГц, когда несколько мод колеблются в нескольких лазерных резонансных резонаторах), ее можно измерить с помощью традиционного спектрометра с дифракционной решеткой. Однако с помощью этого метода трудно получить высокое частотное разрешение.

2. Другой метод — использовать частотный дискриминатор для преобразования флуктуаций частоты в флуктуации интенсивности. Дискриминатором может быть несбалансированный интерферометр или высокоточный эталонный резонатор. Этот метод измерения также имеет ограниченное разрешение.

3. В одночастотных лазерах обычно используется самогетеродинный метод, который записывает биение между выходной мощностью лазера и его собственной частотой после смещения и задержки.

4. Для ширины линии в несколько сотен герц традиционные автогетеродинные методы непрактичны, поскольку требуют большой длины задержки. Для увеличения этой длины можно использовать циклическую оптоволоконную петлю и встроенный оптоволоконный усилитель.

5. Очень высокого разрешения можно добиться, записывая биения двух независимых лазеров, при которых шум эталонного лазера значительно ниже, чем у тестового лазера, или их рабочие характеристики аналогичны. Можно использовать систему фазовой автоподстройки частоты или расчет мгновенной разности частот на основе математических записей. Этот метод очень прост и стабилен, но требует наличия другого лазера (работающего на частоте, близкой к тестовому лазеру). Если для измерения ширины линии требуется широкий спектральный диапазон, очень удобна гребенка частот.

Для оптических измерений частоты в какой-то момент часто требуется конкретная опорная частота (или время). Для лазеров с узкой шириной линии необходим только один опорный луч, чтобы обеспечить достаточно точную опорную точку. Самогетеродинные методы позволяют получить опорную частоту, применяя достаточно большую временную задержку к самой испытательной установке, в идеале избегая временной когерентности между исходным лучом и собственным задержанным лучом. Поэтому обычно используются длинные оптические волокна. Однако из-за стабильных флуктуаций и акустических эффектов длинные волокна вносят дополнительный фазовый шум.

При наличии частотного шума 1/f сама по себе ширина линии не может полностью описать фазовую ошибку. Лучшим подходом является измерение спектра Фурье фазовых или мгновенных флуктуаций частоты, а затем его характеристика с использованием спектральной плотности мощности; можно указать показатели шумовой эффективности. Шум 1/f (или шумовой спектр другого низкочастотного шума) может вызвать некоторые проблемы при измерении.

III. Минимизация ширины лазерной линии

Ширина линии лазера напрямую зависит от типа лазера. Его можно свести к минимуму за счет оптимизации конструкции лазера и подавления внешних шумовых воздействий. Первый шаг — определить, является ли квантовый шум или классический шум доминирующим, поскольку это повлияет на последующие измерения.

Когда внутрирезонаторная мощность высока, потери в резонансном резонаторе малы, а время обхода резонансного резонатора велико, квантовый шум (в основном шум спонтанного излучения) лазера оказывает небольшое влияние. Классический шум может быть вызван механическими колебаниями, которые можно уменьшить с помощью компактного короткого лазерного резонатора. Однако флуктуации длины иногда могут иметь более сильный эффект в еще более коротких резонаторах. Правильная механическая конструкция может уменьшить связь между лазерным резонатором и внешним излучением, а также минимизировать эффекты теплового дрейфа. В усиливающей среде также существуют тепловые флуктуации, вызванные флуктуациями мощности накачки. Для лучших шумовых характеристик необходимы другие устройства активной стабилизации, но на начальном этапе предпочтительны практические пассивные методы. Ширина линии одночастотных твердотельных лазеров и волоконных лазеров находится в диапазоне 1–2 Гц, иногда даже ниже 1 кГц. Методы активной стабилизации позволяют добиться ширины линии ниже 1 кГц. Ширина линии лазерных диодов обычно находится в диапазоне МГц, но может быть уменьшена до кГц, например, в диодных лазерах с внешним резонатором, особенно с оптической обратной связью и высокоточными опорными резонаторами.

IV. Проблемы, возникающие из-за узкой ширины линий

В некоторых случаях очень узкая ширина луча лазерного источника не требуется:

1. При большой длине когерентности эффекты когерентности (из-за слабых паразитных отражений) могут искажать форму луча. 1. В лазерных проекционных дисплеях спекл-эффекты могут влиять на качество поверхности.

2. Когда свет распространяется по активным или пассивным оптическим волокнам, узкая ширина линий может вызвать проблемы из-за вынужденного рассеяния Бриллюэна. В таких случаях необходимо увеличить ширину линии, например, путем быстрого подмешивания переходной частоты лазерного диода или оптического модулятора с помощью модуляции тока. Ширина линии также используется для описания ширины оптических переходов (например, лазерных переходов или некоторых характеристик поглощения). При переходах стационарного одиночного атома или иона ширина линии связана со временем жизни верхнего энергетического состояния (точнее, времени жизни между верхним и нижним энергетическими состояниями) и называется естественной шириной линии. Движение (см. Доплеровское уширение) или взаимодействие атомов или ионов могут расширить ширину линии, например, расширение давления в газах или фононные взаимодействия в твердых средах. Если на разные атомы или ионы воздействуют по-разному, может произойти неравномерное уширение.