Lasrar med smal linjebredd

Vissa laserapplikationer kräver att lasern har en mycket smal linjebredd, det vill säga ett smalt spektrum. Lasrar med smal linjebredd hänvisar till enkelfrekvenslasrar, det vill säga det finns ett resonanthålighetsläge i laservärdet, och fasbruset är mycket lågt, så den spektrala renheten är mycket hög. Typiskt har sådana lasrar mycket låg intensitetsbrus.

De viktigaste typerna av lasrar med smal linjebredd är följande:

1. Halvledarlasrar, distribuerade återkopplingslaserdioder (DFB-lasrar) och distribuerade Bragg-reflektionslasrar (DBR-lasrar), används oftast i 1500- eller 1000nm-regionen. Typiska driftsparametrar är en uteffekt på tiotals milliwatt (ibland större än 100 milliwatt) och en linjebredd på flera MHz.

2. Smalare linjebredder kan erhållas med halvledarlasrar, till exempel genom att förlänga resonatorn med en enkelmodsfiber innehållande ett smalbandigt fiber Bragg-gitter, eller genom att använda en extern kavitetsdiodlaser. Med denna metod kan en ultrasmal linjebredd på flera kHz eller till och med mindre än 1 kHz uppnås.

3. Små distribuerade återkopplade fiberlasrar (resonatorer gjorda av speciella fiber Bragg-gitter) kan generera uteffekter på tiotals milliwatt med linjebredder i kHz-området.

4. Diodpumpade halvledarkroppslasrar med icke-plana ringresonatorer kan också få en linjebredd på flera kHz, medan uteffekten är relativt hög, i storleksordningen 1W. Även om en typisk våglängd är 1064 nm, är andra våglängdsområden såsom 1300 eller 1500 nm också möjliga.

De viktigaste faktorerna som påverkar den smala linjebredden hos lasrar

För att uppnå en laser med en mycket smal strålningsbandbredd (linjebredd) måste följande faktorer beaktas vid laserdesign:

För det första måste enfrekvensdrift uppnås. Detta uppnås enkelt genom att använda ett förstärkningsmedium med en liten förstärkningsbandbredd och en kort laserkavitet (som resulterar i ett stort fritt spektralområde). Målet bör vara långsiktigt stabil enkelfrekvensdrift utan modhoppning.

För det andra måste påverkan av externt buller minimeras. Detta kräver en stabil resonatoruppställning (monokrom), eller speciellt skydd mot mekaniska vibrationer. Elektriskt pumpade lasrar måste använda lågbrusiga ström- eller spänningskällor, medan optiskt pumpade lasrar måste ha lågintensitetsbrus som pumpljuskälla. Dessutom måste alla återkopplingsljusvågor undvikas, till exempel genom att använda Faraday-isolatorer. I teorin har externt brus mindre inflytande än internt brus, såsom spontan emission i förstärkningsmediet. Detta är lätt att uppnå när brusfrekvensen är hög, men när brusfrekvensen är låg är effekten på linjebredden viktigast.

För det tredje måste laserdesignen optimeras för att minimera laserbrus, särskilt fasbrus. Hög intrakavitetseffekt och långa resonatorer föredras, även om stabil enkelfrekvensdrift är svårare att uppnå i detta fall.

Systemoptimering kräver förståelse för betydelsen av de olika bullerkällorna, eftersom olika mätningar krävs beroende på den dominerande bullerkällan. Till exempel minimerar linjebredden som är minimerad enligt Schawlow-Townes ekvation inte nödvändigtvis den faktiska linjebredden om den faktiska linjebredden bestäms av mekaniskt brus.

Bulleregenskaper och prestandaspecifikationer.

Både brusegenskaperna och prestandamåtten för lasrar med smal linjebredd är triviala frågor. Olika mättekniker diskuteras i posten Linewidth, speciellt linjebredder på några kHz eller mindre är krävande. Dessutom kan enbart linjebreddsvärdet inte ge alla brusegenskaper; det är nödvändigt att ge ett fullständigt fasbrusspektrum, såväl som information om relativ intensitetsbrus. Linjebreddsvärdet måste kombineras med åtminstone mättiden, eller annan information som tar hänsyn till den långsiktiga frekvensdriften.

Naturligtvis har olika applikationer olika krav, och vilken nivå av bullerprestandaindex som måste beaktas i olika faktiska situationer.

Tillämpningar av laser med smal linjebredd

1. En mycket viktig tillämpning är inom området avkänning, såsom tryck- eller temperaturfiberoptiska sensorer, olika interferometeravkänning, användning av olika absorptions-LIDAR för att detektera och spåra gas, och användning av Doppler-LIDAR för att mäta vindhastighet. Vissa fiberoptiska sensorer kräver en laserlinjebredd på flera kHz, medan vid LIDAT-mätningar räcker en 100kHz linjebredd.

2. Optiska frekvensmätningar kräver mycket smala källlinjebredder, vilket kräver stabiliseringstekniker för att uppnå.

3. Optiska fiberkommunikationssystem har relativt lösa krav på linjebredd och används främst för sändare eller för detektering eller mätning.