A vonalszélesség meghatározása lézerekben

A lézer vonalszélessége, különösen az egyfrekvenciás lézereknél, a spektrum szélességére utal (jellemzően teljes szélesség a maximum felénél, FWHM). Pontosabban, ez a kisugárzott elektromos tér teljesítmény spektrális sűrűségének szélessége, frekvenciában, hullámszámban vagy hullámhosszban kifejezve. A lézer vonalszélessége szorosan összefügg az időbeli koherenciával, és a koherenciaidő és a koherenciahossz jellemzi. Ha a fázis határtalan eltolódáson megy keresztül, a fáziszaj hozzájárul a vonalszélességhez; ez a helyzet a szabad oszcillátoroknál. (A nagyon kis fázisintervallumra korlátozódó fázisingadozások nulla vonalszélességet és néhány zajoldalsávot eredményeznek.) A rezonanciaüreg hosszának eltolódásai szintén hozzájárulnak a vonalszélességhez, és függővé teszik a mérési időtől. Ez azt jelzi, hogy a vonalszélesség önmagában, vagy akár egy kívánatos spektrális alakzat (vonalforma) nem nyújthat teljes információt a lézerspektrumról.

II. Lézeres vonalszélesség mérés

Számos technika használható a lézeres vonalszélesség mérésére:

1. Ha a vonalszélesség viszonylag nagy (>10 GHz, amikor több módus oszcillál több lézerrezonancia üregben), akkor mérhető hagyományos spektrométerrel, amely diffrakciós rácsot alkalmaz. Ezzel a módszerrel azonban nehéz nagyfrekvenciás felbontást elérni.

2. Egy másik módszer a frekvencia-diszkriminátor használata a frekvencia-ingadozások intenzitás-ingadozásokká való átalakítására. A diszkriminátor lehet egy kiegyensúlyozatlan interferométer vagy egy nagy pontosságú referencia üreg. Ennek a mérési módszernek is korlátozott a felbontása.

3. Az egyfrekvenciás lézerek jellemzően önheterodin módszert alkalmaznak, amely a lézerkimenet és a saját frekvenciája közötti ütemet rögzíti eltolás és késleltetés után.

4. Több száz hertzes vonalszélesség esetén a hagyományos önheterodin technikák nem praktikusak, mert nagy késleltetési hosszt igényelnek. Egy ciklikus szálhurok és egy beépített szálas erősítő használható ennek a hossznak a meghosszabbításához.

5. Nagyon nagy felbontás érhető el két független lézer ütéseinek rögzítésével, ahol a referencialézer zaja jóval alacsonyabb, mint a tesztlézeré, vagy teljesítményük hasonló. Fáziszárolt hurok, vagy a pillanatnyi frekvenciakülönbség matematikai rekordok alapján történő kiszámítása használható. Ez a módszer nagyon egyszerű és stabil, de egy másik lézert igényel (a tesztlézer frekvenciájának közelében működik). Ha a mért vonalszélesség széles spektrális tartományt igényel, a frekvenciafésű nagyon kényelmes.

Az optikai frekvencia mérésekhez gyakran egy bizonyos ponton meghatározott frekvencia (vagy idő) referencia szükséges. A keskeny vonalszélességű lézereknél csak egyetlen referenciasugár szükséges a kellően pontos referencia biztosításához. Az önheterodin technikák úgy kapnak frekvencia-referenciát, hogy kellően hosszú időkésleltetést alkalmaznak magának a vizsgálati beállításnak, ideális esetben elkerülve az időbeli koherenciát a kezdeti nyaláb és a saját késleltetett nyalábja között. Ezért általában hosszú optikai szálakat használnak. A stabil ingadozások és az akusztikus hatások miatt azonban a hosszú szálak további fáziszajt vezetnek be.

Ha 1/f frekvenciájú zaj van jelen, a vonalszélesség önmagában nem tudja teljes mértékben leírni a fázishibát. Jobb megközelítés, ha megmérjük a fázis- vagy pillanatnyi frekvencia-ingadozások Fourier-spektrumát, majd jellemezzük azt a teljesítményspektrális sűrűség segítségével; zajteljesítmény-mutatókra lehet hivatkozni. Az 1/f zaj (vagy más alacsony frekvenciájú zajok zajspektruma) mérési problémákat okozhat.

III. A lézeres vonalszélesség minimalizálása

A lézer vonalszélessége közvetlenül a lézer típusától függ. A lézeres kialakítás optimalizálásával és a külső zajhatások elnyomásával minimalizálható. Az első lépés annak meghatározása, hogy a kvantumzaj vagy a klasszikus zaj a domináns, mivel ez befolyásolja a későbbi méréseket.

Ha az üregen belüli teljesítmény nagy, a rezonancia üreg vesztesége alacsony, és a rezonáns üreg visszafutási ideje hosszú, a lézer kvantumzajja (főleg spontán emissziós zaj) csekély hatással van. A klasszikus zajt mechanikai ingadozások okozhatják, amelyek egy kompakt, rövid lézerrezonátor használatával mérsékelhetők. A hossz-ingadozások azonban néha még rövidebb rezonátoroknál is erősebben hathatnak. A megfelelő mechanikai tervezés csökkentheti a lézerrezonátor és a külső sugárzás közötti csatolást, valamint minimalizálhatja a hőeltolódást. Az erősítő közegben is vannak hőingadozások, amelyeket a szivattyú teljesítményének ingadozása okoz. A jobb zajteljesítmény érdekében más aktív stabilizáló eszközökre van szükség, de kezdetben a gyakorlati passzív módszerek előnyösebbek. Az egyfrekvenciás szilárdtestlézerek és szálas lézerek vonalszélessége az 1-2 Hz tartományba esik, esetenként 1 kHz alatt is. Az aktív stabilizációs módszerekkel 1 kHz alatti vonalszélesség érhető el. A lézerdiódák vonalszélessége jellemzően a MHz-es tartományba esik, de például a külső üreges diódalézereknél, különösen az optikai visszacsatolású és nagy pontosságú referenciaüregekkel rendelkezőknél kHz-re csökkenthető.

IV. A keskeny vonalszélességekből eredő problémák

Bizonyos esetekben nincs szükség nagyon szűk sugárszélességre a lézerforrástól:

1. Ha a koherencia hossza nagy, a koherenciahatások (a gyenge parazita visszaverődés miatt) torzíthatják a nyaláb alakját. 1. A lézeres vetítési kijelzőknél a folthatások befolyásolhatják a felület minőségét.

2. Amikor a fény aktív vagy passzív optikai szálakban terjed, a szűk vonalszélességek problémákat okozhatnak a stimulált Brillouin-szórás miatt. Ilyen esetekben meg kell növelni a vonalszélességet, például egy lézerdióda vagy optikai modulátor tranziens frekvenciájának gyors differenciálásával árammodulációval. A vonalszélességet az optikai átmenetek szélességének leírására is használják (pl. lézerátmenetek vagy egyes abszorpciós jellemzők). Egy álló atom vagy ion átmeneteinél a vonalszélesség a felső energiaállapot (pontosabban a felső és az alsó energiaállapot közötti élettartam) élettartamához kapcsolódik, és természetes vonalszélességnek nevezzük. Az atomok vagy ionok mozgása (lásd Doppler-kiszélesedés) vagy kölcsönhatása kiszélesítheti a vonal szélességét, például a nyomás kiszélesedését gázokban vagy a fononkölcsönhatásokat szilárd közegben. Ha a különböző atomokat vagy ionokat eltérően érintik, nem egyenletes kiszélesedés léphet fel.