Lasery s úzkou šířkou čáry

Některé laserové aplikace vyžadují, aby měl laser velmi úzkou šířku čáry, tj. úzké spektrum. Lasery s úzkou šířkou čáry odkazují na jednofrekvenční lasery, to znamená, že v hodnotě laseru je režim rezonanční dutiny a fázový šum je velmi nízký, takže spektrální čistota je velmi vysoká. Typicky mají takové lasery velmi nízkou intenzitu šumu.

Nejdůležitější typy laserů s úzkou šířkou čáry jsou následující:

1. Polovodičové lasery, laserové diody s distribuovanou zpětnou vazbou (DFB lasery) a distribuované odrazové lasery Bragg (DBR lasery), se nejčastěji používají v oblasti 1500 nebo 1000 nm. Typickými provozními parametry jsou výstupní výkon v řádu desítek miliwattů (někdy i více než 100 miliwattů) a šířka linky několik MHz.

2. Užší šířky čar lze získat pomocí polovodičových laserů, například rozšířením rezonátoru o jednovidové vlákno obsahující Braggovu mřížku s úzkopásmovým vláknem nebo použitím externího dutinového diodového laseru. Pomocí této metody lze dosáhnout ultra úzké šířky čáry několika kHz nebo dokonce méně než 1 kHz.

3. Malé vláknové lasery s distribuovanou zpětnou vazbou (rezonátory vyrobené ze speciálních vláknových Braggových mřížek) mohou generovat výstupní výkony desítek miliwattů se šířkou čar v rozsahu kHz.

4. Diodově čerpané polovodičové lasery s neplanárními prstencovými rezonátory mohou také získat šířku čáry několik kHz, přičemž výstupní výkon je relativně vysoký, řádově 1W. Ačkoli typická vlnová délka je 1064 nm, jsou možné i jiné oblasti vlnových délek, jako je 1300 nebo 1500 nm.

Hlavní faktory ovlivňující úzkou šířku čáry laserů

Aby bylo možné dosáhnout laseru s velmi úzkou šířkou pásma záření (šířkou čáry), je třeba při návrhu laseru vzít v úvahu následující faktory:

Nejprve je třeba dosáhnout jednofrekvenčního provozu. Toho lze snadno dosáhnout použitím média zesílení s malou šířkou pásma zesílení a krátkou dutinou laseru (výsledkem je velký volný spektrální rozsah). Cílem by měl být dlouhodobě stabilní jednofrekvenční provoz bez přeskakování režimů.

Zadruhé je třeba minimalizovat vliv vnějšího hluku. To vyžaduje stabilní nastavení rezonátoru (monochromatický) nebo speciální ochranu proti mechanickým vibracím. Elektricky čerpané lasery musí používat nízkošumové proudové nebo napěťové zdroje, zatímco opticky čerpané lasery musí mít nízkou intenzitu šumu jako čerpací světelný zdroj. Kromě toho je třeba se vyhnout všem zpětnovazebním světelným vlnám, například použitím Faradayových izolátorů. Teoreticky má vnější šum menší vliv než vnitřní šum, jako je spontánní emise v médiu zesílení. Toho lze snadno dosáhnout, když je frekvence šumu vysoká, ale když je frekvence šumu nízká, vliv na šířku čáry je nejdůležitější.

Za třetí, návrh laseru musí být optimalizován, aby se minimalizoval laserový šum, zejména fázový šum. Upřednostňuje se vysoký výkon uvnitř dutiny a dlouhé rezonátory, i když stabilní jednofrekvenční provoz je v tomto případě obtížnější.

Optimalizace systému vyžaduje pochopení důležitosti různých zdrojů hluku, protože jsou vyžadována různá měření v závislosti na dominantním zdroji hluku. Například minimalizovaná šířka čáry podle rovnice Schawlow-Townes nemusí nutně minimalizovat skutečnou šířku čáry, pokud je skutečná šířka čáry určena mechanickým hlukem.

Hlukové charakteristiky a výkonové specifikace.

Jak charakteristiky hluku, tak výkonnostní metriky laserů s úzkou šířkou čáry jsou triviální problémy. Různé měřicí techniky jsou diskutovány v položce Šířka čáry, zvláště šířky čáry několik kHz nebo méně jsou náročné. Navíc, pouze uvážení hodnoty šířky čáry nemůže poskytnout všechny charakteristiky šumu; je nutné poskytnout kompletní spektrum fázového šumu, stejně jako informace o relativní intenzitě šumu. Hodnotu šířky čáry je potřeba zkombinovat alespoň s dobou měření nebo jinou informací, která bere v úvahu dlouhodobý frekvenční drift.

Samozřejmě, různé aplikace mají různé požadavky a jakou úroveň indexu hluku je třeba vzít v úvahu v různých skutečných situacích.

Aplikace laserů s úzkou šířkou čáry

1. Velmi důležitá aplikace je v oblasti snímání, jako jsou tlakové nebo teplotní vláknové optické senzory, různé interferometrové snímání, použití různé absorpce LIDAR pro detekci a sledování plynu a použití Dopplerova LIDARu pro měření rychlosti větru. Některé senzory z optických vláken vyžadují šířku laserové čáry několik kHz, zatímco při měření LIDAT je dostatečná šířka čáry 100 kHz.

2. Optická frekvenční měření vyžadují velmi úzké šířky čáry zdroje, což vyžaduje stabilizační techniky.

3. Komunikační systémy s optickými vlákny mají relativně volné požadavky na šířku vedení a používají se hlavně pro vysílače nebo pro detekci nebo měření.