لیزرهای پهن خط باریک

برخی از کاربردهای لیزر نیاز به لیزر دارند که پهنای خط بسیار باریکی داشته باشد، یعنی طیف باریکی. لیزرهای پهن خط باریک به لیزرهای تک فرکانس اشاره دارند، یعنی حالت حفره تشدید در مقدار لیزر وجود دارد و نویز فاز بسیار کم است، بنابراین خلوص طیفی بسیار بالا است. به طور معمول چنین لیزرهایی نویز با شدت بسیار پایین دارند.

مهمترین انواع لیزرهای با عرض خط باریک به شرح زیر است:

1. لیزرهای نیمه هادی، دیودهای لیزر بازخورد توزیع شده (لیزرهای DFB) و لیزرهای بازتابی براگ توزیع شده (لیزرهای DBR)، بیشتر در منطقه 1500 یا 1000 نانومتری استفاده می شوند. پارامترهای عملیاتی معمولی توان خروجی ده ها میلی وات (گاهی بیشتر از 100 میلی وات) و عرض خط چند مگاهرتز هستند.

2. پهنای خطوط باریک تر را می توان با لیزرهای نیمه هادی به دست آورد، به عنوان مثال با گسترش تشدید کننده با یک فیبر تک حالته حاوی گریتینگ فیبر باریک براگ، یا با استفاده از لیزر دایود حفره خارجی. با استفاده از این روش می توان به پهنای خط بسیار باریک چند کیلوهرتز یا حتی کمتر از 1 کیلوهرتز دست یافت.

3. لیزرهای فیبر بازخورد توزیع شده کوچک (رزوناتورهای ساخته شده از گریتینگ فیبر مخصوص براگ) می توانند توان خروجی ده ها میلی وات با پهنای خط در محدوده کیلوهرتز تولید کنند.

4. لیزرهای بدنه حالت جامد پمپ شده با دیود با تشدید کننده های حلقه غیرمسطح نیز می توانند پهنای خطی چند کیلوهرتز به دست آورند، در حالی که توان خروجی نسبتاً زیاد است، در حد 1 وات. اگرچه یک طول موج معمولی 1064 نانومتر است، مناطق طول موج دیگری مانند 1300 یا 1500 نانومتر نیز امکان پذیر است.

عوامل اصلی موثر بر پهنای خط باریک لیزرها

برای دستیابی به لیزری با پهنای باند تابش بسیار باریک (پهنای خط)، عوامل زیر باید در طراحی لیزر در نظر گرفته شوند:

اول، عملیات تک فرکانس باید به دست آید. این به راحتی با استفاده از یک محیط بهره با پهنای باند بهره کوچک و یک حفره لیزری کوتاه (که منجر به یک محدوده طیفی آزاد بزرگ می شود) به دست می آید. هدف باید عملیات تک فرکانس پایدار طولانی مدت بدون پرش حالت باشد.

دوم، تأثیر نویز خارجی باید به حداقل برسد. این نیاز به یک راه اندازی تشدید کننده پایدار (تک رنگ) یا محافظت ویژه در برابر ارتعاشات مکانیکی دارد. لیزرهای پمپ شده الکتریکی نیاز به استفاده از منابع جریان یا ولتاژ کم نویز دارند، در حالی که لیزرهای پمپ شده نوری باید به عنوان منبع نور پمپ دارای نویز با شدت کم باشند. علاوه بر این، باید از تمام امواج نوری بازخورد اجتناب شود، به عنوان مثال با استفاده از جداسازهای فارادی. در تئوری، نویز خارجی تأثیر کمتری نسبت به نویز داخلی دارد، مانند انتشار خود به خود در محیط بهره. هنگامی که فرکانس نویز زیاد است به راحتی می توان به این امر دست یافت، اما زمانی که فرکانس نویز کم است، تأثیر روی پهنای خط بسیار مهم است.

سوم، طراحی لیزر باید برای به حداقل رساندن نویز لیزر، به ویژه نویز فاز، بهینه شود. قدرت درون حفره ای بالا و تشدید کننده های طولانی ترجیح داده می شوند، اگرچه عملیات تک فرکانس پایدار در این مورد دشوارتر است.

بهینه سازی سیستم نیاز به درک اهمیت منابع مختلف نویز دارد، زیرا بسته به منبع نویز غالب اندازه گیری های متفاوتی مورد نیاز است. برای مثال، اگر پهنای خط واقعی با نویز مکانیکی تعیین شود، پهنای خط که طبق معادله Schawlow-Towns به حداقل می رسد، لزوماً پهنای خط واقعی را به حداقل نمی رساند.

ویژگی های نویز و مشخصات عملکرد.

هم ویژگی‌های نویز و هم معیارهای عملکرد لیزرهای با پهنای خط باریک مسائل بی‌اهمیتی هستند. تکنیک‌های اندازه‌گیری مختلف در مدخل Linewidth مورد بحث قرار گرفته‌اند، به‌ویژه پهنای خط چند کیلوهرتز یا کمتر مورد نیاز است. علاوه بر این، تنها در نظر گرفتن مقدار پهنای خط نمی‌تواند همه ویژگی‌های نویز را نشان دهد. ارائه یک طیف نویز فاز کامل و همچنین اطلاعات شدت نسبی نویز ضروری است. مقدار پهنای خط باید حداقل با زمان اندازه گیری یا سایر اطلاعاتی که رانش فرکانس طولانی مدت را در نظر می گیرد ترکیب شود.

البته کاربردهای مختلف نیازمندی‌های متفاوتی دارند، و اینکه چه سطحی از شاخص عملکرد نویز باید در موقعیت‌های واقعی مختلف در نظر گرفته شود.

کاربردهای لیزرهای پهن خط باریک

1. یک کاربرد بسیار مهم در زمینه سنجش است، مانند سنسورهای فیبر نوری فشار یا دما، سنجش تداخل سنج مختلف، استفاده از LIDAR با جذب متفاوت برای تشخیص و ردیابی گاز و استفاده از داپلر LIDAR برای اندازه گیری سرعت باد. برخی از سنسورهای فیبر نوری به پهنای خط لیزری چند کیلوهرتز نیاز دارند، در حالی که در اندازه گیری های LIDAT، پهنای خط 100 کیلوهرتز کافی است.

2. اندازه گیری فرکانس نوری به پهنای خط منبع بسیار باریکی نیاز دارد که برای دستیابی به آن نیاز به تکنیک های تثبیت است.

3. سیستم های ارتباطی فیبر نوری نیازهای نسبتاً ضعیفی در عرض خط دارند و عمدتاً برای فرستنده ها یا برای تشخیص یا اندازه گیری استفاده می شوند.