Hari ini, kami akan memperkenalkan laser “monokromatik” secara ekstrem – laser dengan lebar garis sempit.Kemunculannya mengisi kesenjangan di banyak bidang penerapan laser, dan dalam beberapa tahun terakhir telah banyak digunakan dalam deteksi gelombang gravitasi, lidar, penginderaan terdistribusi, komunikasi optik koheren berkecepatan tinggi, dan bidang lainnya, yang merupakan “misi” yang tidak dapat dilakukan. diselesaikan hanya dengan meningkatkan kekuatan laser.
Apa itu laser dengan lebar garis sempit?
Istilah "lebar garis" mengacu pada lebar garis spektral laser dalam domain frekuensi, yang biasanya diukur dalam setengah puncak lebar penuh spektrum (FWHM).Lebar garis terutama dipengaruhi oleh radiasi spontan atom atau ion yang tereksitasi, kebisingan fase, getaran mekanis resonator, jitter suhu, dan faktor eksternal lainnya.Semakin kecil nilai lebar garis, semakin tinggi kemurnian spektrum, yaitu semakin baik monokromatisitas laser.Laser dengan karakteristik seperti itu biasanya memiliki noise fase atau frekuensi yang sangat sedikit dan noise intensitas relatif yang sangat sedikit.Pada saat yang sama, semakin kecil nilai lebar linier laser, semakin kuat koherensi yang sesuai, yang diwujudkan sebagai panjang koherensi yang sangat panjang.
Realisasi dan penerapan laser linewidth sempit
Dibatasi oleh penguatan lebar garis yang melekat pada zat kerja laser, hampir tidak mungkin untuk secara langsung mewujudkan keluaran laser lebar garis sempit dengan mengandalkan osilator tradisional itu sendiri.Untuk mewujudkan pengoperasian laser lebar garis sempit, biasanya diperlukan penggunaan filter, kisi, dan perangkat lain untuk membatasi atau memilih modulus longitudinal dalam spektrum penguatan, meningkatkan perbedaan penguatan bersih antara mode longitudinal, sehingga terdapat a beberapa atau bahkan hanya satu osilasi mode longitudinal dalam resonator laser.Dalam proses ini, seringkali perlu untuk mengontrol pengaruh kebisingan pada keluaran laser, dan meminimalkan perluasan garis spektrum yang disebabkan oleh getaran dan perubahan suhu lingkungan luar;Pada saat yang sama, ini juga dapat dikombinasikan dengan analisis kerapatan spektral kebisingan fase atau frekuensi untuk memahami sumber kebisingan dan mengoptimalkan desain laser, sehingga mencapai keluaran stabil dari laser lebar garis sempit.
Mari kita lihat realisasi operasi linewidth sempit dari beberapa kategori laser yang berbeda.
Laser semikonduktor memiliki keunggulan ukuran kompak, efisiensi tinggi, umur panjang dan manfaat ekonomi.
Resonator optik Fabry-Perot (FP) digunakan secara tradisionallaser semikonduktorumumnya berosilasi dalam mode multi-longitudinal, dan lebar garis keluaran relatif lebar, sehingga perlu untuk meningkatkan umpan balik optik untuk mendapatkan keluaran dengan lebar garis yang sempit.
Umpan balik terdistribusi (DFB) dan refleksi Bragg Terdistribusi (DBR) adalah dua laser semikonduktor umpan balik optik internal yang khas.Karena jarak kisi yang kecil dan selektivitas panjang gelombang yang baik, mudah untuk mencapai keluaran lebar garis sempit frekuensi tunggal yang stabil.Perbedaan utama antara kedua struktur tersebut adalah posisi kisinya: struktur DFB biasanya mendistribusikan struktur periodik kisi Bragg ke seluruh resonator, dan resonator DBR biasanya terdiri dari struktur kisi refleksi dan daerah penguatan yang terintegrasi ke dalamnya. permukaan ujung.Selain itu, laser DFB menggunakan kisi-kisi tertanam dengan kontras indeks bias rendah dan reflektifitas rendah.Laser DBR menggunakan kisi-kisi permukaan dengan kontras indeks bias tinggi dan reflektifitas tinggi.Kedua struktur tersebut memiliki rentang spektral bebas yang besar dan dapat melakukan penyetelan panjang gelombang tanpa lompatan mode dalam rentang beberapa nanometer, di mana laser DBR memiliki rentang penyetelan yang lebih luas dibandingkan laser DBR.laser DFB.Selain itu, teknologi umpan balik optik rongga eksternal, yang menggunakan elemen optik eksternal untuk memberi umpan balik pada cahaya keluar dari chip laser semikonduktor dan memilih frekuensi, juga dapat mewujudkan operasi lebar garis sempit dari 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 hangat di bidang laser.Dalam konteks era informasi, laser serat memiliki kompatibilitas yang baik dengan sistem komunikasi serat optik yang ada di pasaran saat ini.Laser serat frekuensi tunggal dengan keunggulan lebar garis yang sempit, kebisingan yang rendah dan koherensi yang baik telah menjadi salah satu arah penting dalam pengembangannya.
Operasi mode longitudinal tunggal adalah inti dari laser serat untuk mencapai keluaran lebar garis yang sempit, biasanya sesuai dengan struktur resonator laser serat frekuensi tunggal dapat dibagi menjadi tipe DFB, tipe DBR dan tipe cincin.Diantaranya, prinsip kerja laser serat frekuensi tunggal DFB dan DBR mirip dengan laser semikonduktor DFB dan DBR.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, laser serat DFB menulis kisi Bragg yang 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 dari laser DBR biasanya dibentuk oleh sepasang kisi-kisi serat Bragg, dan mode longitudinal tunggal terutama dipilih oleh kisi-kisi serat Bragg pita sempit dan reflektifitas rendah.Namun, karena resonatornya yang panjang, strukturnya yang rumit, dan kurangnya mekanisme diskriminasi frekuensi yang efektif, rongga berbentuk cincin rentan terhadap mode hopping, dan sulit untuk bekerja secara stabil dalam mode longitudinal konstan dalam waktu lama.
Gambar 1, Dua struktur linier khas frekuensi tunggallaser serat
Waktu posting: 27 November 2023