امروز، ما یک لیزر «تک‌رنگ» را به لیزر با پهنای خط بسیار باریک معرفی خواهیم کرد. ظهور آن، شکاف‌های موجود در بسیاری از زمینه‌های کاربردی لیزر را پر می‌کند و در سال‌های اخیر به طور گسترده در تشخیص امواج گرانشی، لیدار، حسگر توزیع‌شده، ارتباطات نوری همدوس پرسرعت و سایر زمینه‌ها مورد استفاده قرار گرفته است، که «ماموریت»ی است که تنها با بهبود توان لیزر نمی‌توان آن را تکمیل کرد.
لیزر با پهنای خط باریک چیست؟
اصطلاح «پهنای خط» به پهنای خط طیفی لیزر در حوزه فرکانس اشاره دارد که معمولاً بر حسب پهنای کامل نیم پیک طیف (FWHM) اندازه‌گیری می‌شود. پهنای خط عمدتاً تحت تأثیر تابش خودبه‌خودی اتم‌ها یا یون‌های برانگیخته، نویز فاز، ارتعاش مکانیکی تشدیدگر، لرزش دما و سایر عوامل خارجی قرار می‌گیرد. هرچه مقدار پهنای خط کمتر باشد، خلوص طیف بیشتر است، یعنی تک‌رنگی لیزر بهتر است. لیزرهایی با چنین ویژگی‌هایی معمولاً نویز فاز یا فرکانس بسیار کمی دارند و نویز شدت نسبی بسیار کمی دارند. در عین حال، هرچه مقدار پهنای خطی لیزر کمتر باشد، همدوسی مربوطه قوی‌تر است که به صورت طول همدوسی بسیار طولانی آشکار می‌شود.
تحقق و کاربرد لیزر با پهنای خط باریک
با توجه به محدودیت پهنای خط بهره ذاتی ماده‌ی کاری لیزر، تقریباً غیرممکن است که بتوان مستقیماً با تکیه بر خود نوسانگر سنتی، خروجی لیزر با پهنای خط باریک را تشخیص داد. برای تشخیص عملکرد لیزر با پهنای خط باریک، معمولاً لازم است از فیلترها، توری‌ها و سایر دستگاه‌ها برای محدود کردن یا انتخاب مدول طولی در طیف بهره، افزایش اختلاف بهره خالص بین مدهای طولی استفاده شود، به طوری که چند یا حتی فقط یک نوسان مد طولی در تشدیدگر لیزر وجود داشته باشد. در این فرآیند، اغلب لازم است که تأثیر نویز بر خروجی لیزر کنترل شود و پهن‌شدگی خطوط طیفی ناشی از ارتعاش و تغییرات دمای محیط خارجی به حداقل برسد. در عین حال، می‌توان آن را با تجزیه و تحلیل چگالی طیفی نویز فاز یا فرکانس نیز ترکیب کرد تا منبع نویز را درک کرده و طراحی لیزر را بهینه کرد تا خروجی پایدار لیزر با پهنای خط باریک حاصل شود.
بیایید نگاهی به تحقق عملکرد پهنای خط باریک چندین دسته مختلف از لیزرها بیندازیم.
لیزرهای نیمه‌هادی مزایایی مانند اندازه کوچک، راندمان بالا، عمر طولانی و مزایای اقتصادی دارند.
تشدیدگر نوری فابری-پرو (FP) که در روش‌های سنتی استفاده می‌شودلیزرهای نیمه‌هادیعموماً در حالت چند طولی نوسان می‌کند و عرض خط خروجی نسبتاً زیاد است، بنابراین برای دستیابی به خروجی با عرض خط باریک، افزایش بازخورد نوری ضروری است.
بازخورد توزیع‌شده (DFB) و بازتاب توزیع‌شده براگ (DBR) دو لیزر نیمه‌هادی بازخورد نوری داخلی معمولی هستند. به دلیل گام توری کوچک و گزینش‌پذیری خوب طول موج، دستیابی به خروجی پایدار تک فرکانس با پهنای خط باریک آسان است. تفاوت اصلی بین این دو ساختار، موقعیت توری است: ساختار DFB معمولاً ساختار تناوبی توری براگ را در سراسر تشدیدگر توزیع می‌کند و تشدیدگر DBR معمولاً از ساختار توری بازتاب و ناحیه بهره که در سطح انتهایی ادغام شده‌اند، تشکیل شده است. علاوه بر این، لیزرهای DFB از توری‌های تعبیه‌شده با کنتراست ضریب شکست پایین و بازتاب‌پذیری کم استفاده می‌کنند. لیزرهای DBR از توری‌های سطحی با کنتراست ضریب شکست بالا و بازتاب‌پذیری بالا استفاده می‌کنند. هر دو ساختار دارای محدوده طیفی آزاد بزرگی هستند و می‌توانند تنظیم طول موج را بدون پرش مد در محدوده چند نانومتر انجام دهند، جایی که لیزر DBR محدوده تنظیم وسیع‌تری نسبت به ... دارد.لیزر DFBعلاوه بر این، فناوری بازخورد نوری حفره خارجی، که از عناصر نوری خارجی برای بازخورد نور خروجی تراشه لیزر نیمه‌هادی و انتخاب فرکانس استفاده می‌کند، می‌تواند عملکرد پهنای خط باریک لیزر نیمه‌هادی را نیز محقق کند.
(2) لیزرهای فیبری
لیزرهای فیبری دارای راندمان تبدیل پمپ بالا، کیفیت پرتو خوب و راندمان کوپلینگ بالا هستند که از موضوعات تحقیقاتی داغ در حوزه لیزر می‌باشند. در عصر اطلاعات، لیزرهای فیبری سازگاری خوبی با سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری فعلی در بازار دارند. لیزر فیبر تک فرکانسی با مزایای پهنای خط باریک، نویز کم و انسجام خوب، به یکی از جهت‌های مهم توسعه آن تبدیل شده است.
عملکرد تک فرکانس طولی، هسته اصلی لیزر فیبری برای دستیابی به خروجی با پهنای خط باریک است که معمولاً با توجه به ساختار تشدیدگر، لیزر فیبری تک فرکانس را می‌توان به نوع DFB، نوع DBR و نوع حلقه‌ای تقسیم کرد. در میان آنها، اصل کار لیزرهای فیبری تک فرکانس DFB و DBR مشابه لیزرهای نیمه‌هادی DFB و DBR است.
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، لیزر فیبری DFB قرار است توری براگ توزیع شده را در فیبر بنویسد. از آنجا که طول موج کاری نوسانگر تحت تأثیر دوره فیبر قرار دارد، می‌توان مد طولی را از طریق بازخورد توزیع شده توری انتخاب کرد. تشدیدگر لیزر لیزر DBR معمولاً توسط یک جفت توری براگ فیبری تشکیل می‌شود و مد طولی واحد عمدتاً توسط توری براگ فیبری با باند باریک و بازتاب کم انتخاب می‌شود. با این حال، به دلیل تشدیدگر طولانی، ساختار پیچیده و عدم وجود مکانیسم تشخیص فرکانس مؤثر، حفره حلقه‌ای شکل مستعد پرش مد است و کار پایدار در مد طولی ثابت برای مدت طولانی دشوار است.
شکل ۱، دو ساختار خطی معمول با فرکانس واحدلیزرهای فیبری
زمان ارسال: ۲۷ نوامبر ۲۰۲۳