Lasers met smalle lijnbreedte

Sommige lasertoepassingen vereisen dat de laser een zeer smalle lijnbreedte heeft, dat wil zeggen een smal spectrum. Lasers met smalle lijnbreedte verwijzen naar lasers met één frequentie, dat wil zeggen dat er een resonante holtemodus in de laserwaarde is en dat de faseruis erg laag is, dus de spectrale zuiverheid is erg hoog. Typisch hebben dergelijke lasers ruis met een zeer lage intensiteit.

De belangrijkste typen lasers met smalle lijnbreedte zijn als volgt:

1. Halfgeleiderlasers, gedistribueerde feedbacklaserdiodes (DFB-lasers) en gedistribueerde Bragg-reflectielasers (DBR-lasers) worden het meest gebruikt in het gebied van 1500 of 1000 nm. Typische bedrijfsparameters zijn een uitgangsvermogen van tientallen milliwatt (soms groter dan 100 milliwatt) en een lijnbreedte van enkele MHz.

2. Smallere lijnbreedtes kunnen worden verkregen met halfgeleiderlasers, bijvoorbeeld door de resonator uit te breiden met een single-mode vezel die een smalbandig Bragg-vezelrooster bevat, of door een diodelaser met externe holte te gebruiken. Met deze methode kan een ultra-smalle lijnbreedte van enkele kHz of zelfs minder dan 1 kHz worden bereikt.

3. Kleine fiberlasers met gedistribueerde feedback (resonatoren gemaakt van speciale Bragg-vezelroosters) kunnen uitgangsvermogens genereren van tientallen milliwatt met lijnbreedtes in het kHz-bereik.

4. Door diodes gepompte solid-state body-lasers met niet-planaire ringresonatoren kunnen ook een lijnbreedte van enkele kHz verkrijgen, terwijl het uitgangsvermogen relatief hoog is, in de orde van 1 W. Hoewel een typische golflengte 1064 nm is, zijn andere golflengtegebieden zoals 1300 of 1500 nm ook mogelijk.

De belangrijkste factoren die de smalle lijnbreedte van lasers beïnvloeden

Om een ​​laser met een zeer smalle stralingsbandbreedte (lijnbreedte) te verkrijgen, moet bij het laserontwerp rekening worden gehouden met de volgende factoren:

Ten eerste moet een werking met één frequentie worden bereikt. Dit wordt eenvoudig bereikt door gebruik te maken van een versterkingsmedium met een kleine versterkingsbandbreedte en een korte laserholte (wat resulteert in een groot vrij spectraal bereik). Het doel moet een stabiele werking op één frequentie op lange termijn zijn, zonder mode-hopping.

Ten tweede moet de invloed van extern geluid tot een minimum worden beperkt. Dit vereist een stabiele resonatoropstelling (monochroom) of speciale bescherming tegen mechanische trillingen. Elektrisch gepompte lasers moeten stroom- of spanningsbronnen met weinig ruis gebruiken, terwijl optisch gepompte lasers ruis met lage intensiteit als pomplichtbron moeten hebben. Bovendien moeten alle feedback-lichtgolven worden vermeden, bijvoorbeeld door Faraday-isolatoren te gebruiken. In theorie heeft externe ruis minder invloed dan interne ruis, zoals spontane emissie in het versterkingsmedium. Dit is gemakkelijk te bereiken als de ruisfrequentie hoog is, maar als de ruisfrequentie laag is, is het effect op de lijnbreedte het belangrijkst.

Ten derde moet het laserontwerp worden geoptimaliseerd om laserruis, vooral faseruis, te minimaliseren. Een hoog intracaviteitsvermogen en lange resonatoren hebben de voorkeur, hoewel een stabiele werking op één frequentie in dit geval moeilijker te bereiken is.

Systeemoptimalisatie vereist inzicht in het belang van de verschillende geluidsbronnen, aangezien verschillende metingen nodig zijn afhankelijk van de dominante geluidsbron. De lijnbreedte die is geminimaliseerd volgens de Schawlow-Townes-vergelijking minimaliseert bijvoorbeeld niet noodzakelijkerwijs de werkelijke lijnbreedte als de werkelijke lijnbreedte wordt bepaald door mechanische ruis.

Geluidskenmerken en prestatiespecificaties.

Zowel de ruiskarakteristieken als de prestatiegegevens van lasers met smalle lijnbreedte zijn triviale kwesties. Verschillende meettechnieken worden besproken in het item Lijnbreedte, vooral lijnbreedtes van enkele kHz of minder zijn veeleisend. Bovendien kan alleen het beschouwen van de lijnbreedtewaarde niet alle ruiskarakteristieken opleveren; het is noodzakelijk om een ​​compleet faseruisspectrum te geven, evenals informatie over de relatieve intensiteit van de ruis. De lijnbreedtewaarde moet worden gecombineerd met ten minste de meettijd of andere informatie die rekening houdt met de frequentiedrift op de lange termijn.

Uiteraard hebben verschillende toepassingen verschillende vereisten en met welk niveau van geluidsprestatie-index rekening moet worden gehouden in verschillende feitelijke situaties.

Toepassingen van lasers met smalle lijnbreedte

1. Een zeer belangrijke toepassing ligt op het gebied van detectie, zoals druk- of temperatuurglasvezelsensoren, verschillende interferometerdetectie, het gebruik van LIDAR met verschillende absorptie om gas te detecteren en te volgen, en het gebruik van Doppler LIDAR om de windsnelheid te meten. Sommige glasvezelsensoren vereisen een laserlijnbreedte van enkele kHz, terwijl bij LIDAT-metingen een lijnbreedte van 100 kHz voldoende is.

2. Optische frequentiemetingen vereisen zeer smalle bronlijnbreedtes, waarvoor stabilisatietechnieken nodig zijn.

3. Communicatiesystemen met optische vezels stellen relatief losse eisen aan de lijnbreedte en worden voornamelijk gebruikt voor zenders of voor detectie of meting.