فناوری لیزر با پهنای خط باریک قسمت اول

امروز، ما یک لیزر "تک رنگ" را با لیزر با عرض خط باریک معرفی می کنیم. ظهور آن شکاف‌ها را در بسیاری از زمینه‌های کاربردی لیزر پر می‌کند و در سال‌های اخیر به طور گسترده در تشخیص امواج گرانشی، liDAR، سنجش توزیع شده، ارتباطات نوری منسجم پرسرعت و سایر زمینه‌ها استفاده شده است، که یک "ماموریت" است که نمی‌توان آن را انجام داد. تنها با بهبود قدرت لیزر تکمیل می شود.

لیزر با عرض خط باریک چیست؟

اصطلاح "عرض خط" به پهنای خط طیفی لیزر در حوزه فرکانس اشاره دارد که معمولاً بر حسب نیمه پیک عرض کامل طیف (FWHM) اندازه‌گیری می‌شود. پهنای خط عمدتاً تحت تأثیر تابش خود به خودی اتم ها یا یون های برانگیخته، نویز فاز، ارتعاش مکانیکی تشدید کننده، لرزش دما و سایر عوامل خارجی است. هرچه مقدار عرض خط کمتر باشد، خلوص طیف بالاتر است، یعنی تک رنگی لیزر بهتر است. لیزرهایی با چنین خصوصیاتی معمولاً نویز فاز یا فرکانس بسیار کم و نویز با شدت نسبی بسیار کمی دارند. در عین حال، هرچه مقدار عرض خطی لیزر کمتر باشد، انسجام متناظر قوی‌تر است که به صورت یک طول پیوستگی بسیار طولانی آشکار می‌شود.

اجرا و کاربرد لیزر با عرض خط باریک

محدود به پهنای خط بهره ذاتی ماده کار لیزر، تشخیص مستقیم خروجی لیزر با پهنای خط باریک با تکیه بر خود اسیلاتور سنتی تقریبا غیرممکن است. برای تحقق عملکرد لیزر با عرض خط باریک، معمولاً لازم است از فیلترها، گریتینگ و سایر دستگاه‌ها برای محدود کردن یا انتخاب مدول طولی در طیف بهره، افزایش اختلاف بهره خالص بین حالت‌های طولی استفاده شود، به طوری که چند یا حتی تنها یک نوسان حالت طولی در تشدید کننده لیزر. در این فرآیند، اغلب لازم است که تأثیر نویز بر خروجی لیزر کنترل شود و گسترش خطوط طیفی ناشی از ارتعاشات و تغییرات دمایی محیط خارجی به حداقل برسد. در عین حال، می توان آن را با تجزیه و تحلیل چگالی طیفی نویز فاز یا فرکانس برای درک منبع نویز و بهینه سازی طراحی لیزر ترکیب کرد تا به خروجی پایدار لیزر با عرض خط باریک دست یافت.

بیایید نگاهی به تحقق عملیات پهن خط باریک چندین دسته مختلف لیزر بیاندازیم.

(1)لیزر نیمه هادی

لیزرهای نیمه هادی دارای مزایای اندازه فشرده، راندمان بالا، عمر طولانی و مزایای اقتصادی هستند.

تشدید کننده نوری Fabry-Pero (FP) که در سنتی استفاده می شودلیزرهای نیمه هادیبه طور کلی در حالت چند طولی نوسان می کند و عرض خط خروجی نسبتاً گسترده است، بنابراین لازم است بازخورد نوری برای به دست آوردن خروجی عرض خط باریک افزایش یابد.

بازخورد توزیع شده (DFB) و بازتاب براگ توزیع شده (DBR) دو لیزر نیمه هادی بازخورد نوری داخلی معمولی هستند. با توجه به گام توری کوچک و انتخاب طول موج خوب، دستیابی به خروجی پهنای خط باریک تک فرکانس پایدار آسان است. تفاوت اصلی بین این دو ساختار در موقعیت توری است: ساختار DFB معمولاً ساختار تناوبی گریتینگ براگ را در سراسر تشدید کننده توزیع می کند و تشدید کننده DBR معمولاً از ساختار گریتینگ بازتابی و ناحیه بهره ادغام شده تشکیل شده است. سطح انتهایی علاوه بر این، لیزرهای DFB از توری های تعبیه شده با کنتراست ضریب شکست کم و بازتاب کم استفاده می کنند. لیزرهای DBR از توری های سطحی با کنتراست ضریب شکست بالا و بازتابش بالا استفاده می کنند. هر دو ساختار دارای محدوده طیفی آزاد بزرگی هستند و می توانند تنظیم طول موج را بدون پرش حالت در محدوده چند نانومتر انجام دهند، جایی که لیزر DBR محدوده تنظیم گسترده تری نسبت به لیزر دارد.لیزر DFB. علاوه بر این، فناوری بازخورد نوری حفره خارجی، که از عناصر نوری خارجی برای بازخورد نور خروجی تراشه لیزری نیمه هادی و انتخاب فرکانس استفاده می کند، همچنین می تواند عملیات پهن خط باریک لیزر نیمه هادی را درک کند.

(2) لیزرهای فیبر

لیزرهای فیبر دارای راندمان تبدیل پمپ بالا، کیفیت پرتو خوب و راندمان کوپلینگ بالا هستند که موضوعات داغ تحقیقاتی در زمینه لیزر هستند. در چارچوب عصر اطلاعات، لیزرهای فیبر سازگاری خوبی با سیستم های ارتباطی فیبر نوری فعلی در بازار دارند. لیزر فیبر تک فرکانس با مزایای عرض خط باریک، نویز کم و انسجام خوب به یکی از مسیرهای مهم توسعه آن تبدیل شده است.

عملیات حالت تک طولی هسته لیزر فیبر برای دستیابی به خروجی با عرض خط باریک است، معمولا با توجه به ساختار تشدید کننده لیزر فیبر تک فرکانس را می توان به نوع DFB، نوع DBR و نوع حلقه تقسیم کرد. در میان آنها، اصل کار لیزرهای فیبر تک فرکانس DFB و DBR مشابه لیزرهای نیمه هادی DFB و DBR است.

همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، لیزر فیبر DFB برای نوشتن توری براگ توزیع شده در فیبر است. از آنجایی که طول موج کاری نوسانگر تحت تأثیر دوره فیبر قرار می گیرد، حالت طولی را می توان از طریق بازخورد توزیع شده گریتینگ انتخاب کرد. تشدید کننده لیزر لیزر DBR معمولاً توسط یک جفت گریتینگ فیبر براگ تشکیل می شود و حالت تک طولی عمدتاً توسط باند باریک و گریتینگ های فیبر براگ با بازتاب کم انتخاب می شود. با این حال، به دلیل تشدید کننده طولانی، ساختار پیچیده و عدم مکانیسم تشخیص فرکانس موثر، حفره حلقه‌ای شکل مستعد پرش حالت است و کار پایدار در حالت طولی ثابت برای مدت طولانی دشوار است.

شکل 1، دو ساختار خطی معمولی تک فرکانسلیزرهای فیبر