Keskeny vonalszélességű lézerek

Egyes lézeralkalmazások megkövetelik, hogy a lézer nagyon szűk vonalszélességgel, azaz szűk spektrummal rendelkezzen. A keskeny vonalszélességű lézerek az egyfrekvenciás lézerekre utalnak, vagyis a lézerértékben rezonáns üreg mód van, és a fáziszaj nagyon alacsony, így a spektrális tisztaság nagyon magas. Az ilyen lézerek általában nagyon alacsony intenzitású zajjal rendelkeznek.

A keskeny vonalszélességű lézerek legfontosabb típusai a következők:

1. A félvezető lézereket, az elosztott visszacsatolású lézerdiódákat (DFB lézerek) és az elosztott Bragg reflexiós lézereket (DBR lézerek) leggyakrabban az 1500 vagy 1000 nm-es tartományban használják. Tipikus működési paraméterek a több tíz milliwattos (néha 100 milliwattnál nagyobb) kimenő teljesítmény és a több MHz-es vonalszélesség.

2. Szűkebb vonalszélességek érhetők el félvezető lézerekkel, például a rezonátor meghosszabbításával egymódusú, keskeny sávú szálas Bragg-rácsot tartalmazó szállal, vagy külső üreges dióda lézer használatával. Ezzel a módszerrel több kHz-es vagy akár 1 kHz-nél is kisebb, ultra keskeny vonalszélesség érhető el.

3. A kisméretű, elosztott visszacsatolású szálas lézerek (speciális szálas Bragg rácsokból készült rezonátorok) több tíz milliwatt kimenő teljesítményt képesek előállítani kHz-es vonalszélességgel.

4. A nem síkgyűrűs rezonátorral ellátott, diódaszivattyúzású szilárdtestlézerek több kHz-es vonalszélességet is elérhetnek, miközben a kimenő teljesítmény viszonylag nagy, 1W nagyságrendű. Bár a tipikus hullámhossz 1064 nm, más hullámhossz-tartományok, például 1300 vagy 1500 nm is lehetségesek.

A lézerek szűk vonalszélességét befolyásoló fő tényezők

A nagyon szűk sugárzási sávszélességű (vonalszélesség) lézer eléréséhez a lézertervezésnél a következő tényezőket kell figyelembe venni:

Először az egyfrekvenciás működést kell elérni. Ez könnyen elérhető kis erősítési sávszélességű erősítőközeg és rövid lézerüreg használatával (ami nagy szabad spektrális tartományt eredményez). A cél a hosszú távú stabil egyfrekvenciás működés legyen módugrás nélkül.

Másodszor, a külső zaj hatását minimálisra kell csökkenteni. Ez stabil rezonátor beállítást (monokróm) vagy speciális mechanikai rezgések elleni védelmet igényel. Az elektromosan szivattyúzott lézereknek alacsony zajszintű áram- vagy feszültségforrásokat kell használniuk, míg az optikailag pumpált lézereknél alacsony intenzitású zajt kell szivattyú fényforrásként használni. Ezenkívül minden visszacsatoló fényhullámot el kell kerülni, például Faraday-szigetelők használatával. Elméletileg a külső zaj kisebb befolyással bír, mint a belső zaj, például a spontán emisszió az erősítő közegben. Ez könnyen elérhető magas zajfrekvencia esetén, de ha alacsony a zajfrekvencia, a vonalszélességre gyakorolt ​​hatás a legfontosabb.

Harmadszor, a lézertervezést optimalizálni kell a lézerzaj, különösen a fáziszaj minimalizálása érdekében. A nagy üreges teljesítmény és a hosszú rezonátorok előnyösek, bár a stabil egyfrekvenciás működést ebben az esetben nehezebb elérni.

A rendszer optimalizálása megköveteli a különböző zajforrások fontosságának megértését, mivel a domináns zajforrástól függően különböző mérésekre van szükség. Például a Schawlow-Townes egyenlet szerint minimálisra csökkentett vonalszélesség nem feltétlenül minimalizálja a tényleges vonalszélességet, ha a tényleges vonalszélességet mechanikai zaj határozza meg.

Zajjellemzők és teljesítményspecifikációk.

A keskeny vonalszélességű lézerek zajjellemzői és teljesítménymutatói is triviális kérdések. Különböző mérési technikákat tárgyal a Vonalszélesség szócikk, különösen a néhány kHz-es vagy annál kisebb vonalszélességek igényelnek. Ráadásul csak a vonalszélesség értékét figyelembe véve nem lehet minden zajjellemzőt megadni; meg kell adni egy teljes fáziszaj spektrumot, valamint a relatív intenzitású zajinformációt. A vonalszélesség értékét össze kell kapcsolni legalább a mérési idővel, vagy más olyan információval, amely figyelembe veszi a hosszú távú frekvenciaeltolódást.

Természetesen a különböző alkalmazások eltérő követelményeket támasztanak, és hogy a különböző tényleges helyzetekben milyen szintű zajteljesítmény-indexet kell figyelembe venni.

Keskeny vonalszélességű lézerek alkalmazásai

1. Nagyon fontos alkalmazási terület az érzékelés területén, mint például a nyomás vagy hőmérséklet száloptikai érzékelők, a különböző interferométeres érzékelések, a különböző abszorpciós LIDAR használata a gázok detektálására és nyomon követésére, valamint a Doppler LIDAR használata a szélsebesség mérésére. Egyes száloptikai érzékelők több kHz-es lézervonalszélességet igényelnek, míg LIDAT méréseknél 100 kHz-es vonalszélesség is elegendő.

2. Az optikai frekvencia mérései nagyon szűk forrásvonalszélességeket igényelnek, amelyek eléréséhez stabilizációs technikák szükségesek.

3. Az optikai szálas kommunikációs rendszereknek viszonylag laza a vonalszélességre vonatkozó követelményei, és főként adókhoz, illetve érzékelésre vagy mérésre használják.