Definice šířky čáry v laserech

Šířka čáry laseru, zejména jednofrekvenčního laseru, se vztahuje k šířce jeho spektra (typicky plná šířka v polovině maxima, FWHM). Přesněji je to šířka spektrální hustoty výkonu vyzařovaného elektrického pole, vyjádřená jako frekvence, vlnočet nebo vlnová délka. Šířka čáry laseru úzce souvisí s časovou koherencí a je charakterizována dobou koherence a délkou koherence. Pokud fáze prochází neomezeným posunem, fázový šum přispívá k šířce vedení; to je případ volných oscilátorů. (Fázové fluktuace omezené na velmi malý fázový interval vytvářejí nulovou šířku čáry a určitá postranní pásma šumu.) Posuny v délce rezonanční dutiny také přispívají k šířce čáry a činí ji závislou na době měření. To znamená, že samotná šířka čáry nebo dokonce požadovaný spektrální tvar (tvar čáry) nemůže poskytnout úplnou informaci o spektru laseru.

II. Laserové měření šířky čáry

K měření šířky laserové čáry lze použít mnoho technik:

1. Když je šířka čáry relativně velká (>10 GHz, když více režimů osciluje ve více laserových rezonančních dutinách), lze ji měřit pomocí tradičního spektrometru využívajícího difrakční mřížku. Pomocí této metody je však obtížné získat vysokofrekvenční rozlišení.

2. Další metodou je použití frekvenčního diskriminátoru k převodu frekvenčních fluktuací na kolísání intenzity. Diskriminátorem může být nevyvážený interferometr nebo vysoce přesná referenční dutina. Tato metoda měření má také omezené rozlišení.

3. Jednofrekvenční lasery obvykle používají samo-heterodynní metodu, která zaznamenává tep mezi výstupem laseru a jeho vlastní frekvencí po offsetu a zpoždění.

4. Pro šířky řádků několik stovek hertzů jsou tradiční samo-heterodynní techniky nepraktické, protože vyžadují velkou délku zpoždění. K prodloužení této délky lze použít cyklickou vláknovou smyčku a vestavěný vláknový zesilovač.

5. Velmi vysokého rozlišení lze dosáhnout zaznamenáváním úderů dvou nezávislých laserů, kde je šum referenčního laseru mnohem nižší než u zkušebního laseru nebo jsou jejich výkonové specifikace podobné. Lze použít smyčku fázového závěsu nebo výpočet okamžitého frekvenčního rozdílu na základě matematických záznamů. Tato metoda je velmi jednoduchá a stabilní, ale vyžaduje další laser (fungující blízko frekvence testovacího laseru). Pokud měřená šířka čáry vyžaduje široký spektrální rozsah, je velmi vhodný frekvenční hřeben.

Optická měření frekvence často v určitém okamžiku vyžadují specifickou referenci frekvence (nebo času). U laserů s úzkou šířkou čáry je potřeba pouze jeden referenční paprsek pro poskytnutí dostatečně přesné reference. Samoheterodynní techniky získávají referenční frekvenci aplikací dostatečně dlouhého časového zpoždění na samotné nastavení testu, v ideálním případě se vyhneme časové koherenci mezi počátečním paprskem a jeho vlastním zpožděným paprskem. Proto se typicky používají dlouhá optická vlákna. Kvůli stabilním výkyvům a akustickým efektům však dlouhá vlákna zavádějí další fázový šum.

5. Velmi vysokého rozlišení lze dosáhnout zaznamenáváním úderů dvou nezávislých laserů, kde je šum referenčního laseru mnohem nižší než u zkušebního laseru nebo jsou jejich výkonové specifikace podobné. Lze použít smyčku fázového závěsu nebo výpočet okamžitého frekvenčního rozdílu na základě matematických záznamů. Tato metoda je velmi jednoduchá a stabilní, ale vyžaduje další laser (fungující blízko frekvence testovacího laseru). Pokud měřená šířka čáry vyžaduje široký spektrální rozsah, je velmi vhodný frekvenční hřeben.

III. Minimalizace šířky čáry laseru

2. Další metodou je použití frekvenčního diskriminátoru k převodu frekvenčních fluktuací na kolísání intenzity. Diskriminátorem může být nevyvážený interferometr nebo vysoce přesná referenční dutina. Tato metoda měření má také omezené rozlišení.

Když je výkon uvnitř dutiny vysoký, ztráta rezonanční dutiny je nízká a doba oběhu rezonanční dutiny je dlouhá, má kvantový šum (hlavně šum spontánní emise) laseru malý dopad. Klasický šum může být způsoben mechanickými výkyvy, které lze zmírnit použitím kompaktního krátkého laserového rezonátoru. Délkové výkyvy však mohou mít někdy silnější vliv u ještě kratších rezonátorů. Správná mechanická konstrukce může snížit vazbu mezi laserovým rezonátorem a externím zářením a také minimalizovat účinky tepelného driftu. Tepelné kolísání existuje také v zesilovacím médiu, způsobené kolísáním výkonu čerpadla. Pro lepší hlukový výkon jsou zapotřebí další aktivní stabilizační zařízení, ale zpočátku jsou vhodnější praktické pasivní metody. Šířky čar jednofrekvenčních pevnolátkových laserů a vláknových laserů jsou v rozsahu 1-2 Hz, někdy dokonce pod 1 kHz. Metodami aktivní stabilizace lze dosáhnout šířky čar pod 1 kHz. Šířky čar laserových diod jsou typicky v rozsahu MHz, ale mohou být sníženy na kHz, například u diodových laserů s vnější dutinou, zejména těch s optickou zpětnou vazbou a vysoce přesnými referenčními dutinami.

III. Minimalizace šířky čáry laseru

V některých případech není nutná velmi malá šířka paprsku ze zdroje laseru:

1. Když je koherenční délka dlouhá, koherenční efekty (kvůli slabým parazitním odrazům) mohou deformovat tvar paprsku. 1. U laserových projekčních displejů mohou efekty skvrn narušovat kvalitu povrchu.

2. Když se světlo šíří v aktivních nebo pasivních optických vláknech, úzké šířky čar mohou způsobit problémy v důsledku stimulovaného Brillouinova rozptylu. V takových případech je nutné zvětšit šířku čáry například rychlým ditherováním přechodové frekvence laserové diody nebo optického modulátoru pomocí proudové modulace. Šířka čáry se také používá k popisu šířky optických přechodů (např. laserových přechodů nebo některých absorpčních charakteristik). Při přechodech stacionárního jednotlivého atomu nebo iontu se šířka čáry vztahuje k době životnosti horního energetického stavu (přesněji k délce života mezi horním a spodním energetickým stavem) a nazývá se přirozená šířka čáry. Pohyb (viz Dopplerovo rozšíření) nebo vzájemné ovlivňování atomů nebo iontů může rozšířit šířku čáry, jako je rozšíření tlaku v plynech nebo fononové interakce v pevných médiích. Pokud jsou různé atomy nebo ionty ovlivněny odlišně, může dojít k nerovnoměrnému rozšíření.