Hari ini, kami akan memperkenalkan laser "monokromatik" ke tingkat ekstremnya – laser dengan lebar garis sempit. Kemunculannya mengisi celah di berbagai bidang aplikasi laser, dan dalam beberapa tahun terakhir telah banyak digunakan dalam deteksi gelombang gravitasi, LiDAR, penginderaan terdistribusi, komunikasi optik koheren berkecepatan tinggi, dan bidang lainnya. Hal ini merupakan "misi" yang tidak dapat diselesaikan hanya dengan meningkatkan daya laser.
Apa itu laser garis lebar sempit?
Istilah "lebar garis" mengacu pada lebar garis spektral laser dalam domain frekuensi, yang biasanya dikuantifikasi dalam satuan lebar spektrum penuh setengah puncak (FWHM). Lebar garis terutama dipengaruhi oleh radiasi spontan atom atau ion yang tereksitasi, derau fase, getaran mekanis resonator, getaran suhu, dan faktor eksternal lainnya. Semakin kecil nilai lebar garis, semakin tinggi kemurnian spektrumnya, artinya, semakin baik monokromatisitas laser. Laser dengan karakteristik seperti itu biasanya memiliki derau fase atau frekuensi yang sangat kecil dan derau intensitas relatif yang sangat kecil. Di sisi lain, semakin kecil nilai lebar linier laser, semakin kuat koherensinya, yang dimanifestasikan sebagai panjang koherensi yang sangat panjang.
Realisasi dan penerapan laser garis lebar sempit
Dibatasi oleh lebar garis penguatan yang melekat pada substansi kerja laser, hampir mustahil untuk secara langsung mewujudkan keluaran laser lebar garis sempit dengan mengandalkan osilator tradisional itu sendiri. Untuk mewujudkan pengoperasian laser lebar garis sempit, biasanya perlu menggunakan filter, kisi, dan perangkat lain untuk membatasi atau memilih modulus longitudinal dalam spektrum penguatan, meningkatkan perbedaan penguatan bersih antara mode longitudinal, sehingga ada beberapa atau bahkan hanya satu osilasi mode longitudinal dalam resonator laser. Dalam proses ini, seringkali perlu untuk mengendalikan pengaruh noise pada keluaran laser, dan meminimalkan pelebaran garis spektrum yang disebabkan oleh getaran dan perubahan suhu lingkungan eksternal; Pada saat yang sama, itu juga dapat dikombinasikan dengan analisis kepadatan spektral noise fase atau frekuensi untuk memahami sumber noise dan mengoptimalkan desain laser, sehingga mencapai keluaran laser lebar garis sempit yang stabil.
Mari kita lihat realisasi operasi garis lebar sempit pada beberapa kategori laser yang berbeda.
Laser semikonduktor memiliki keunggulan ukuran kompak, efisiensi tinggi, umur panjang, dan manfaat ekonomi.
Resonator optik Fabry-Perot (FP) yang digunakan dalamlaser semikonduktorUmumnya berosilasi dalam mode multi-longitudinal, dan lebar garis keluaran relatif lebar, sehingga perlu meningkatkan umpan balik optik untuk mendapatkan keluaran lebar garis yang sempit.
Umpan balik terdistribusi (DFB) dan refleksi Bragg terdistribusi (DBR) adalah dua jenis laser semikonduktor umpan balik optik internal yang umum. Berkat jarak kisi yang kecil dan selektivitas panjang gelombang yang baik, keluaran lebar garis sempit frekuensi tunggal yang stabil dapat dicapai dengan mudah. Perbedaan utama antara kedua struktur ini terletak pada posisi kisi: struktur DFB biasanya mendistribusikan struktur periodik kisi Bragg ke seluruh resonator, sementara resonator DBR biasanya terdiri dari struktur kisi refleksi dan daerah penguatan yang terintegrasi ke permukaan ujung. Selain itu, laser DFB menggunakan kisi tertanam dengan kontras indeks bias rendah dan reflektivitas rendah. Laser DBR menggunakan kisi permukaan dengan kontras indeks bias tinggi dan reflektivitas tinggi. Kedua struktur ini memiliki rentang spektral bebas yang besar dan dapat melakukan penyetelan panjang gelombang tanpa lompatan mode dalam rentang beberapa nanometer, sementara laser DBR memiliki rentang penyetelan yang lebih lebar daripadaLaser DFBSelain itu, teknologi umpan balik optik rongga eksternal, yang menggunakan elemen optik eksternal untuk memberikan umpan balik pada cahaya keluar dari chip laser semikonduktor dan memilih frekuensinya, juga dapat mewujudkan operasi lebar garis sempit laser semikonduktor.
(2) Laser serat
Laser serat memiliki efisiensi konversi pompa yang tinggi, kualitas sinar yang baik, dan efisiensi kopling yang tinggi, yang merupakan topik penelitian yang sedang hangat di bidang laser. Dalam konteks era informasi, laser serat memiliki kompatibilitas yang baik dengan sistem komunikasi serat optik yang ada di pasaran. Laser serat frekuensi tunggal dengan keunggulan lebar garis yang sempit, noise yang rendah, dan koherensi yang baik telah menjadi salah satu arah penting dalam pengembangannya.
Operasi mode longitudinal tunggal merupakan inti dari laser serat untuk mencapai keluaran dengan lebar garis yang sempit. Umumnya, berdasarkan struktur resonatornya, laser serat frekuensi tunggal dapat dibagi menjadi tipe DFB, tipe DBR, dan tipe cincin. Prinsip kerja laser serat frekuensi tunggal DFB dan DBR serupa dengan prinsip kerja laser semikonduktor DFB dan DBR.
Seperti ditunjukkan pada Gambar 1, laser serat DFB akan menuliskan kisi Bragg terdistribusi ke dalam serat. Karena panjang gelombang kerja osilator dipengaruhi oleh periode serat, mode longitudinal dapat dipilih melalui umpan balik terdistribusi dari kisi. Resonator laser DBR biasanya dibentuk oleh sepasang kisi Bragg serat, dan mode longitudinal tunggal terutama dipilih oleh kisi Bragg serat dengan pita sempit dan reflektifitas rendah. Namun, karena resonatornya yang panjang, strukturnya yang kompleks, dan kurangnya mekanisme diskriminasi frekuensi yang efektif, rongga berbentuk cincin rentan terhadap mode hopping, dan sulit untuk bekerja secara stabil dalam mode longitudinal konstan untuk waktu yang lama.
Gambar 1, Dua struktur linier tipikal frekuensi tunggallaser serat
Waktu posting: 27-Nov-2023