Definitie van lijnbreedte in lasers

De lijnbreedte van een laser, vooral een laser met één frequentie, verwijst naar de breedte van het spectrum (meestal de volledige breedte op half maximum, FWHM). Preciezer gezegd, het is de breedte van de spectrale vermogensdichtheid van het uitgestraalde elektrische veld, uitgedrukt in termen van frequentie, golfgetal of golflengte. De lijnbreedte van een laser hangt nauw samen met de temporele coherentie en wordt gekenmerkt door de coherentietijd en coherentielengte. Als de fase een onbegrensde verschuiving ondergaat, draagt ​​faseruis bij aan de lijnbreedte; dit is het geval bij vrije oscillatoren. (Fasefluctuaties beperkt tot een zeer klein fase-interval produceren een lijnbreedte van nul en enkele zijbanden van ruis.) Verschuivingen in de lengte van de resonantieholte dragen ook bij aan de lijnbreedte en maken deze afhankelijk van de meettijd. Dit geeft aan dat de lijnbreedte alleen, of zelfs een gewenste spectrale vorm (lijnvorm), niet de volledige informatie over het laserspectrum kan verschaffen.

II. Laserlijnbreedtemeting

Er kunnen veel technieken worden gebruikt om de laserlijnbreedte te meten:

1. Wanneer de lijnbreedte relatief groot is (>10 GHz, wanneer meerdere modi oscilleren in meerdere laserresonantieholtes), kan deze worden gemeten met behulp van een traditionele spectrometer die gebruik maakt van een diffractierooster. Het is echter moeilijk om met deze methode een hoge frequentieresolutie te verkrijgen.

2. Een andere methode is het gebruik van een frequentiediscriminator om frequentiefluctuaties om te zetten in intensiteitsfluctuaties. De discriminator kan een ongebalanceerde interferometer zijn of een zeer nauwkeurige referentieholte. Ook deze meetmethode heeft een beperkte resolutie.

3. Lasers met één frequentie gebruiken doorgaans een zelf-heterodyne methode, die de slag tussen de laseruitvoer en zijn eigen frequentie registreert na offset en vertraging.

4. Voor lijnbreedtes van enkele honderden hertz zijn traditionele zelf-heterodyne technieken onpraktisch omdat ze een grote vertragingslengte vereisen. Om deze lengte te vergroten, kunnen een cyclische vezellus en een ingebouwde vezelversterker worden gebruikt.

5. Een zeer hoge resolutie kan worden bereikt door de slagen van twee onafhankelijke lasers te registreren, waarbij de ruis van de referentielaser veel lager is dan die van de testlaser, of hun prestatiespecificaties vergelijkbaar zijn. Er kan gebruik worden gemaakt van een fasevergrendelde lus of berekening van het momentane frequentieverschil op basis van wiskundige gegevens. Deze methode is zeer eenvoudig en stabiel, maar vereist een andere laser (die werkt in de buurt van de frequentie van de testlaser). Als de gemeten lijnbreedte een breed spectraal bereik vereist, is een frequentiekam erg handig.

Optische frequentiemetingen vereisen op een gegeven moment vaak een specifieke frequentie- (of tijd-)referentie. Voor lasers met een smalle lijnbreedte is slechts één enkele referentiebundel nodig om een ​​voldoende nauwkeurige referentie te verschaffen. Zelf-heterodyne technieken verkrijgen een frequentiereferentie door een voldoende lange tijdsvertraging toe te passen op de testopstelling zelf, waarbij idealiter temporele coherentie tussen de initiële bundel en zijn eigen vertraagde bundel wordt vermeden. Daarom worden doorgaans lange optische vezels gebruikt. Vanwege stabiele fluctuaties en akoestische effecten introduceren lange vezels echter extra faseruis.

Wanneer 1/f-frequentieruis aanwezig is, kan de lijnbreedte alleen de fasefout niet volledig beschrijven. Een betere benadering is om het Fourier-spectrum van de fase- of momentane frequentiefluctuaties te meten en dit vervolgens te karakteriseren met behulp van de spectrale vermogensdichtheid; Er kan naar geluidsprestatie-indicatoren worden verwezen. 1/f-ruis (of het ruisspectrum van andere laagfrequente ruis) kan meetproblemen veroorzaken.

III. Minimaliseren van de laserlijnbreedte

De laserlijnbreedte houdt rechtstreeks verband met het lasertype. Dit kan worden geminimaliseerd door het laserontwerp te optimaliseren en externe ruisinvloeden te onderdrukken. De eerste stap is om te bepalen of kwantumruis of klassieke ruis dominant is, omdat dit de daaropvolgende metingen zal beïnvloeden.

Wanneer het intracaviteitsvermogen hoog is, het verlies aan resonante holtes laag is en de retourtijd van de resonante holte lang is, heeft de kwantumruis (voornamelijk spontane emissieruis) van de laser een kleine impact. Klassieke ruis kan worden veroorzaakt door mechanische fluctuaties, die kunnen worden verzacht door een compacte, korte laserresonator te gebruiken. Lengteschommelingen kunnen echter soms een sterker effect hebben bij nog kortere resonatoren. Een goed mechanisch ontwerp kan de koppeling tussen de laserresonator en externe straling verminderen, en ook de thermische drifteffecten minimaliseren. Er bestaan ​​ook thermische fluctuaties in het versterkingsmedium, veroorzaakt door fluctuaties in het pompvermogen. Voor betere geluidsprestaties zijn andere actieve stabilisatieapparaten nodig, maar in eerste instantie verdienen praktische passieve methoden de voorkeur. De lijnbreedten van vastestoflasers en fiberlasers met één frequentie liggen in het bereik van 1-2 Hz, soms zelfs onder 1 kHz. Actieve stabilisatiemethoden kunnen lijnbreedtes van minder dan 1 kHz bereiken. De lijnbreedten van laserdiodes liggen doorgaans in het MHz-bereik, maar kunnen bijvoorbeeld worden teruggebracht tot kHz bij diodelasers met externe holte, vooral die met optische feedback en zeer nauwkeurige referentieholtes.

IV. Problemen die voortkomen uit smalle lijnbreedtes

In sommige gevallen is een zeer smalle bundelbreedte van de laserbron niet nodig:

1. Wanneer de coherentielengte lang is, kunnen coherentie-effecten (als gevolg van zwakke parasitaire reflecties) de vorm van de bundel vervormen. 1. Bij laserprojectieschermen kunnen spikkeleffecten de kwaliteit van het oppervlak beïnvloeden.

2. Wanneer licht zich voortplant in actieve of passieve optische vezels, kunnen smalle lijnbreedtes problemen veroorzaken als gevolg van gestimuleerde Brillouin-verstrooiing. In dergelijke gevallen is het noodzakelijk om de lijnbreedte te vergroten, bijvoorbeeld door de transiënte frequentie van een laserdiode of optische modulator snel te ditheren met behulp van stroommodulatie. Lijnbreedte wordt ook gebruikt om de breedte van optische overgangen te beschrijven (bijvoorbeeld laserovergangen of bepaalde absorptiekarakteristieken). Bij de overgangen van een stationair enkel atoom of ion is de lijnbreedte gerelateerd aan de levensduur van de hogere energietoestand (meer precies, de levensduur tussen de hogere en lagere energietoestanden), en wordt deze de natuurlijke lijnbreedte genoemd. De beweging (zie Doppler-verbreding) of interactie van atomen of ionen kan de lijnbreedte vergroten, zoals drukverbreding in gassen of fonon-interacties in vaste media. Als verschillende atomen of ionen verschillend worden beïnvloed, kan er een niet-uniforme verbreding optreden.