Definition av linjebredd i laser

Linjebredden för en laser, speciellt en enkelfrekvenslaser, hänvisar till bredden på dess spektrum (typiskt full bredd vid halva maximum, FWHM). Mer exakt är det bredden på det utstrålade elektriska fältets effektspektraltäthet, uttryckt i termer av frekvens, vågnummer eller våglängd. En lasers linjebredd är nära relaterad till tidsmässig koherens och kännetecknas av koherenstid och koherenslängd. Om fasen genomgår en obegränsad förskjutning, bidrar fasbrus till linjebredden; detta är fallet med fria oscillatorer. (Fasfluktuationer begränsade till ett mycket litet fasintervall ger noll linjebredd och vissa brussidoband.) Förskjutningar i resonanshålighetens längd bidrar också till linjebredden och gör den beroende av mättiden. Detta indikerar att enbart linjebredden, eller till och med en önskvärd spektral form (linjeform), inte kan ge den fullständiga informationen om laserspektrumet.

II. Laserlinjebreddsmätning

Många tekniker kan användas för att mäta laserlinjebredd:

1. När linjebredden är relativt stor (>10 GHz, när flera moder oscillerar i flera laserresonanskaviteter), kan den mätas med en traditionell spektrometer som använder ett diffraktionsgitter. Det är dock svårt att få hög frekvensupplösning med denna metod.

2. En annan metod är att använda en frekvensdiskriminator för att omvandla frekvensfluktuationer till intensitetsfluktuationer. Diskriminatorn kan vara en obalanserad interferometer eller en högprecisionsreferenshålighet. Även denna mätmetod har begränsad upplösning.

3. Enkelfrekvenslasrar använder vanligtvis en självheterodynmetod, som registrerar slaget mellan laserutgången och dess egen frekvens efter offset och fördröjning.

4. För linjebredder på flera hundra hertz är traditionella självheterodyntekniker opraktiska eftersom de kräver en stor fördröjningslängd. En cyklisk fiberslinga och en inbyggd fiberförstärkare kan användas för att förlänga denna längd.

När intrakavitetseffekten är hög, är resonanshålighetsförlusten låg, och resonanshålighetens tur och retur-tid är lång, har kvantbruset (huvudsakligen spontant emissionsbrus) en liten inverkan. Klassiskt brus kan orsakas av mekaniska fluktuationer, som kan mildras genom att använda en kompakt, kort laserresonator. Längdfluktuationer kan dock ibland ha en starkare effekt i ännu kortare resonatorer. Korrekt mekanisk design kan minska kopplingen mellan laserresonatorn och extern strålning, och även minimera termiska drifteffekter. Termiska fluktuationer finns också i förstärkningsmediet, orsakade av pumpeffektfluktuationer. För bättre brusprestanda behövs andra aktiva stabiliseringsanordningar, men initialt är praktiska passiva metoder att föredra. Linjebredderna för enfrekventa halvledarlasrar och fiberlasrar ligger i intervallet 1-2 Hz, ibland till och med under 1 kHz. Aktiva stabiliseringsmetoder kan uppnå linjebredder under 1 kHz. Linjebredderna för laserdioder ligger vanligtvis i MHz-området, men kan reduceras till kHz, till exempel i externa diodlasrar, särskilt de med optisk återkoppling och högprecisionsreferenshålrum.

Optiska frekvensmätningar kräver ofta en specifik frekvens (eller tids)referens någon gång. För lasrar med smal linjebredd behövs endast en enda referensstråle för att ge en tillräckligt exakt referens. Självheterodyntekniker erhåller en frekvensreferens genom att tillämpa en tillräckligt lång tidsfördröjning på själva testuppställningen, vilket idealiskt undviker tidsmässig koherens mellan den initiala strålen och dess egen fördröjda stråle. Därför används vanligtvis långa optiska fibrer. Men på grund av stabila fluktuationer och akustiska effekter introducerar långa fibrer ytterligare fasbrus.

När 1/f-frekvensbrus förekommer kan enbart linjebredden inte helt beskriva fasfelet. Ett bättre tillvägagångssätt är att mäta Fourier-spektrumet för fas- eller momentana frekvensfluktuationer och sedan karakterisera det med användning av effektspektraltätheten; bullerprestandaindikatorer kan refereras. 1/f-brus (eller brusspektrumet för annat lågfrekvent brus) kan orsaka vissa mätproblem.

III. Minimera laserlinjebredden

Laserlinjebredden är direkt relaterad till lasertypen. Det kan minimeras genom att optimera laserdesignen och dämpa extern bruspåverkan. Det första steget är att avgöra om kvantbrus eller klassiskt brus är dominant, eftersom detta kommer att påverka efterföljande mätningar.

När intrakavitetseffekten är hög, är resonanshålighetsförlusten låg, och resonanshålighetens tur och retur-tid är lång, har kvantbruset (huvudsakligen spontant emissionsbrus) en liten inverkan. Klassiskt brus kan orsakas av mekaniska fluktuationer, som kan mildras genom att använda en kompakt, kort laserresonator. Längdfluktuationer kan dock ibland ha en starkare effekt i ännu kortare resonatorer. Korrekt mekanisk design kan minska kopplingen mellan laserresonatorn och extern strålning, och även minimera termiska drifteffekter. Termiska fluktuationer finns också i förstärkningsmediet, orsakade av pumpeffektfluktuationer. För bättre brusprestanda behövs andra aktiva stabiliseringsanordningar, men initialt är praktiska passiva metoder att föredra. Linjebredderna för enfrekventa halvledarlasrar och fiberlasrar ligger i intervallet 1-2 Hz, ibland till och med under 1 kHz. Aktiva stabiliseringsmetoder kan uppnå linjebredder under 1 kHz. Linjebredderna för laserdioder ligger vanligtvis i MHz-området, men kan reduceras till kHz, till exempel i externa diodlasrar, särskilt de med optisk återkoppling och högprecisionsreferenshålrum.

IV. Problem som uppstår från smala linjebredder

1. När koherenslängden är lång kan koherenseffekter (på grund av svaga parasitreflektioner) förvränga strålformen. 1. I laserprojektionsskärmar kan fläckeffekter störa ytkvaliteten.

1. När koherenslängden är lång kan koherenseffekter (på grund av svaga parasitreflektioner) förvränga strålformen. 1. I laserprojektionsskärmar kan fläckeffekter störa ytkvaliteten.

2. När ljus utbreder sig i aktiva eller passiva optiska fibrer kan smala linjebredder orsaka problem på grund av stimulerad Brillouin-spridning. I sådana fall är det nödvändigt att öka linjebredden, till exempel genom att snabbt vibrera transientfrekvensen hos en laserdiod eller optisk modulator med användning av strömmodulering. Linjebredd används också för att beskriva bredden av optiska övergångar (t.ex. laserövergångar eller vissa absorptionsegenskaper). I övergångarna för en stationär enkel atom eller jon är linjebredden relaterad till livslängden för det övre energitillståndet (mer exakt, livstiden mellan det övre och nedre energitillståndet), och kallas den naturliga linjebredden. Rörelse (se Dopplerbreddning) eller interaktion mellan atomer eller joner kan bredda linjebredden, såsom tryckbreddning i gaser eller fononinteraktioner i fasta medier. Om olika atomer eller joner påverkas olika kan ojämn breddning inträffa.