تعریف پهنای خط در لیزر

پهنای خط یک لیزر، به ویژه یک لیزر تک فرکانس، به عرض طیف آن اشاره دارد (معمولاً عرض کامل در نصف حداکثر، FWHM). به طور دقیق تر، عرض چگالی طیفی توان میدان الکتریکی تابشی است که بر حسب فرکانس، تعداد موج یا طول موج بیان می شود. پهنای خط یک لیزر ارتباط نزدیکی با انسجام زمانی دارد و با زمان انسجام و طول پیوستگی مشخص می شود. اگر فاز تحت یک جابجایی نامحدود قرار گیرد، نویز فاز به پهنای خط کمک می کند. این مورد در مورد اسیلاتورهای آزاد است. (نوسانات فاز محدود به یک فاصله فاز بسیار کوچک، پهنای خط صفر و نوارهای جانبی نویز ایجاد می کند.) تغییر در طول حفره تشدید نیز به پهنای خط کمک می کند و آن را به زمان اندازه گیری وابسته می کند. این نشان می دهد که پهنای خط به تنهایی یا حتی یک شکل طیفی مطلوب (شکل خط)، نمی تواند اطلاعات کاملی در مورد طیف لیزر ارائه دهد.

II. اندازه گیری پهنای خط لیزری

برای اندازه گیری پهنای خط لیزر می توان از تکنیک های زیادی استفاده کرد:

1. هنگامی که پهنای خط نسبتاً بزرگ است (> 10 گیگاهرتز، زمانی که حالت های متعدد در حفره های تشدید لیزری متعدد نوسان می کنند)، می توان آن را با استفاده از یک طیف سنج سنتی با استفاده از یک گریتینگ پراش اندازه گیری کرد. با این حال، به دست آوردن وضوح فرکانس بالا با استفاده از این روش دشوار است.

2. روش دیگر استفاده از تشخیص فرکانس برای تبدیل نوسانات فرکانس به نوسانات شدت است. تشخیص دهنده می تواند یک تداخل سنج نامتعادل یا یک حفره مرجع با دقت بالا باشد. این روش اندازه گیری نیز وضوح محدودی دارد.

3. لیزرهای تک فرکانس معمولاً از روش self-heterodyne استفاده می کنند که ضربان بین خروجی لیزر و فرکانس خود را پس از افست و تأخیر ثبت می کند.

4. برای پهنای خط چند صد هرتز، تکنیک‌های سنتی خود هتروداین غیرعملی هستند زیرا به طول تاخیر زیادی نیاز دارند. برای افزایش این طول می توان از یک حلقه فیبر حلقوی و یک تقویت کننده فیبر داخلی استفاده کرد.

5. با ضبط ضربات دو لیزر مستقل که نویز لیزر مرجع بسیار کمتر از لیزر آزمایشی است یا مشخصات عملکرد آنها مشابه است، وضوح بسیار بالایی را می توان به دست آورد. می توان از یک حلقه قفل فاز یا محاسبه اختلاف فرکانس لحظه ای بر اساس رکوردهای ریاضی استفاده کرد. این روش بسیار ساده و پایدار است، اما به لیزر دیگری نیاز دارد (در نزدیکی فرکانس لیزر آزمایشی عمل می کند). اگر پهنای خط اندازه‌گیری شده به یک محدوده طیفی گسترده نیاز دارد، یک شانه فرکانس بسیار راحت است.

اندازه گیری فرکانس نوری اغلب به یک مرجع فرکانس (یا زمان) خاص در نقطه ای نیاز دارد. برای لیزرهای با پهنای خط باریک، تنها به یک پرتو مرجع نیاز است تا یک مرجع به اندازه کافی دقیق ارائه شود. تکنیک‌های خود هتروداینی با اعمال یک تأخیر زمانی به اندازه کافی طولانی در خود تنظیم آزمایش، یک مرجع فرکانس را به دست می‌آورند، و به طور ایده‌آل از انسجام زمانی بین پرتو اولیه و پرتو تأخیری خود اجتناب می‌کنند. بنابراین معمولاً از فیبرهای نوری بلند استفاده می شود. با این حال، به دلیل نوسانات پایدار و اثرات صوتی، فیبرهای بلند نویز فاز اضافی ایجاد می کنند.

2. هنگامی که نور در فیبرهای نوری فعال یا غیرفعال منتشر می شود، پهنای خطوط باریک می تواند به دلیل پراکندگی بریلوین تحریک شده مشکلاتی ایجاد کند. در چنین مواردی، لازم است که پهنای خط را افزایش دهیم، به عنوان مثال، با پراکندگی سریع فرکانس گذرا یک دیود لیزر یا مدولاتور نوری با استفاده از مدولاسیون جریان. پهنای خط همچنین برای توصیف عرض انتقال های نوری (به عنوان مثال، انتقال لیزر یا برخی از ویژگی های جذب) استفاده می شود. در انتقال یک اتم یا یون ثابت، پهنای خط به طول عمر حالت انرژی بالایی (به طور دقیق تر، طول عمر بین حالت انرژی بالا و پایین) مربوط می شود و به آن پهنای خط طبیعی می گویند. حرکت (به گسترش داپلر مراجعه کنید) یا برهمکنش اتم ها یا یون ها می تواند پهنای خط را گسترش دهد، مانند افزایش فشار در گازها یا برهمکنش های فونون در محیط جامد. اگر اتم ها یا یون های مختلف به طور متفاوت تحت تأثیر قرار گیرند، گسترش غیر یکنواخت می تواند رخ دهد.

III. به حداقل رساندن پهنای خط لیزر

پهنای خط لیزر ارتباط مستقیمی با نوع لیزر دارد. می توان آن را با بهینه سازی طراحی لیزر و سرکوب تأثیرات نویز خارجی به حداقل رساند. اولین قدم تعیین اینکه آیا نویز کوانتومی یا نویز کلاسیک غالب است، زیرا این امر بر اندازه گیری های بعدی تأثیر می گذارد.

هنگامی که قدرت درون حفره زیاد است، تلفات حفره تشدید کم است، و زمان رفت و برگشت حفره تشدید طولانی است، نویز کوانتومی (عمدتا نویز انتشار خود به خود) لیزر تأثیر کمی دارد. نویز کلاسیک می تواند ناشی از نوسانات مکانیکی باشد که می توان با استفاده از یک تشدید کننده لیزری فشرده و کوتاه آن را کاهش داد. با این حال، نوسانات طول گاهی اوقات می تواند تأثیر قوی تری در تشدیدگرهای کوتاه تر داشته باشد. طراحی مکانیکی مناسب می تواند جفت شدن بین تشدید کننده لیزر و تشعشعات خارجی را کاهش دهد و همچنین اثرات رانش حرارتی را به حداقل برساند. نوسانات حرارتی نیز در محیط بهره وجود دارد که ناشی از نوسانات قدرت پمپ است. برای عملکرد بهتر صدا، سایر دستگاه های تثبیت کننده فعال مورد نیاز است، اما در ابتدا، روش های غیرفعال عملی ترجیح داده می شود. پهنای خط لیزرهای حالت جامد تک فرکانس و لیزرهای فیبر در محدوده 1 تا 2 هرتز است، گاهی اوقات حتی زیر 1 کیلوهرتز. روش های تثبیت فعال می توانند به پهنای خط کمتر از 1 کیلوهرتز دست یابند. پهنای خط دیودهای لیزری معمولاً در محدوده مگاهرتز است، اما می توان آن را به کیلوهرتز کاهش داد، به عنوان مثال، در لیزرهای دیود حفره خارجی، به ویژه آنهایی که دارای بازخورد نوری و حفره های مرجع با دقت بالا هستند.

IV. مشکلات ناشی از پهنای خطوط باریک

در برخی موارد، یک پهنای پرتو بسیار باریک از منبع لیزر ضروری نیست:

1. هنگامی که طول پیوستگی طولانی است، اثرات پیوستگی (به دلیل بازتاب های انگلی ضعیف) می تواند شکل پرتو را مخدوش کند. 1. در نمایشگرهای پروجکشن لیزری، جلوه های لکه می تواند با کیفیت سطح تداخل داشته باشد.

2. هنگامی که نور در فیبرهای نوری فعال یا غیرفعال منتشر می شود، پهنای خطوط باریک می تواند به دلیل پراکندگی بریلوین تحریک شده مشکلاتی ایجاد کند. در چنین مواردی، لازم است که پهنای خط را افزایش دهیم، به عنوان مثال، با پراکندگی سریع فرکانس گذرا یک دیود لیزر یا مدولاتور نوری با استفاده از مدولاسیون جریان. پهنای خط همچنین برای توصیف عرض انتقال های نوری (به عنوان مثال، انتقال لیزر یا برخی از ویژگی های جذب) استفاده می شود. در انتقال یک اتم یا یون ثابت، پهنای خط به طول عمر حالت انرژی بالایی (به طور دقیق تر، طول عمر بین حالت انرژی بالا و پایین) مربوط می شود و به آن پهنای خط طبیعی می گویند. حرکت (به گسترش داپلر مراجعه کنید) یا برهمکنش اتم ها یا یون ها می تواند پهنای خط را گسترش دهد، مانند افزایش فشار در گازها یا برهمکنش های فونون در محیط جامد. اگر اتم ها یا یون های مختلف به طور متفاوت تحت تأثیر قرار گیرند، گسترش غیر یکنواخت می تواند رخ دهد.