Heute stellen wir einen extrem monochromatischen Laser vor – einen Laser mit schmaler Linienbreite. Sein Aufkommen schließt Lücken in vielen Anwendungsbereichen von Lasern und findet in den letzten Jahren breite Anwendung in der Gravitationswellendetektion, LiDAR, verteilten Sensorik, kohärenter optischer Hochgeschwindigkeitskommunikation und anderen Bereichen. Diese Mission lässt sich allein durch die Verbesserung der Laserleistung nicht erfüllen.
Was ist ein Laser mit schmaler Linienbreite?
Der Begriff „Linienbreite“ bezeichnet die spektrale Linienbreite des Lasers im Frequenzbereich, die üblicherweise als Halbwertsbreite des Spektrums (FWHM) angegeben wird. Die Linienbreite wird hauptsächlich durch die spontane Strahlung angeregter Atome oder Ionen, Phasenrauschen, mechanische Schwingungen des Resonators, Temperaturschwankungen und andere externe Faktoren beeinflusst. Je kleiner die Linienbreite, desto reiner das Spektrum, d. h. desto besser die Monochromatizität des Lasers. Laser mit solchen Eigenschaften weisen üblicherweise ein sehr geringes Phasen- oder Frequenzrauschen sowie ein sehr geringes relatives Intensitätsrauschen auf. Gleichzeitig gilt: Je kleiner die lineare Breite des Lasers, desto stärker ist die entsprechende Kohärenz, was sich in einer extrem langen Kohärenzlänge äußert.
Realisierung und Anwendung von Lasern mit schmaler Linienbreite
Da die inhärente Verstärkungslinienbreite der Arbeitssubstanz des Lasers begrenzt ist, ist es mithilfe des herkömmlichen Oszillators nahezu unmöglich, die Ausgabe eines Lasers mit schmaler Linienbreite direkt zu erzielen. Um den Betrieb eines Lasers mit schmaler Linienbreite zu ermöglichen, müssen üblicherweise Filter, Gitter und andere Vorrichtungen verwendet werden, um den Längsmodul im Verstärkungsspektrum zu begrenzen oder auszuwählen und die Nettoverstärkungsdifferenz zwischen den Längsmoden zu erhöhen, sodass im Laserresonator nur wenige oder sogar nur eine Längsmodenschwingung auftritt. Dabei ist es oft notwendig, den Einfluss von Rauschen auf die Laserausgabe zu kontrollieren und die Verbreiterung der Spektrallinien durch Vibrationen und Temperaturschwankungen der Umgebung zu minimieren. Gleichzeitig kann dies auch mit der Analyse der spektralen Dichte des Phasen- oder Frequenzrauschens kombiniert werden, um die Rauschquelle zu verstehen und das Laserdesign zu optimieren, um eine stabile Ausgabe des Lasers mit schmaler Linienbreite zu erzielen.
Werfen wir einen Blick auf die Realisierung des Betriebs mit schmaler Linienbreite bei mehreren unterschiedlichen Laserkategorien.
Halbleiterlaser bieten die Vorteile kompakter Größe, hoher Effizienz, langer Lebensdauer und wirtschaftlicher Vorteile.
Der Fabry-Perot (FP) optische Resonator, der in herkömmlichenHalbleiterlaserschwingt im Allgemeinen im Multilongitudinalen Modus und die Ausgangslinienbreite ist relativ groß, sodass es notwendig ist, die optische Rückkopplung zu erhöhen, um eine Ausgabe mit schmaler Linienbreite zu erhalten.
Distributed Feedback (DFB) und Distributed Bragg Reflection (DBR) sind zwei typische Halbleiterlaser mit interner optischer Rückkopplung. Dank des kleinen Gitterabstands und der guten Wellenlängenselektivität lässt sich leicht eine stabile, einfrequente, schmale Linienbreite erzielen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Strukturen liegt in der Position des Gitters: Bei der DFB-Struktur ist die periodische Struktur des Bragg-Gitters üblicherweise über den gesamten Resonator verteilt, während der Resonator der DBR-Struktur üblicherweise aus der Reflexionsgitterstruktur und dem in die Endfläche integrierten Verstärkungsbereich besteht. DFB-Laser verwenden eingebettete Gitter mit geringem Brechungsindexkontrast und geringer Reflektivität. DBR-Laser verwenden Oberflächengitter mit hohem Brechungsindexkontrast und hoher Reflektivität. Beide Strukturen verfügen über einen großen freien Spektralbereich und ermöglichen eine Wellenlängenabstimmung ohne Modensprung im Bereich weniger Nanometer, wobei der DBR-Laser einen größeren Abstimmbereich aufweist als derDFB-LaserDarüber hinaus kann durch die optische Rückkopplungstechnologie mit externem Hohlraum, bei der externe optische Elemente zum Rückkoppeln des ausgehenden Lichts des Halbleiterlaserchips und zur Auswahl der Frequenz verwendet werden, auch der Betrieb mit schmaler Linienbreite des Halbleiterlasers realisiert werden.
(2) Faserlaser
Faserlaser zeichnen sich durch eine hohe Pumpeffizienz, gute Strahlqualität und hohe Kopplungseffizienz aus und sind wichtige Forschungsthemen im Laserbereich. Im Informationszeitalter sind Faserlaser gut mit den aktuellen Glasfaserkommunikationssystemen auf dem Markt kompatibel. Der Einfrequenz-Faserlaser mit seinen Vorteilen schmaler Linienbreite, geringem Rauschen und guter Kohärenz ist zu einer wichtigen Entwicklungsrichtung geworden.
Der Betrieb im Single-Longitudinalmodus ist der Kern des Faserlasers, um eine schmale Linienbreite zu erreichen. Je nach Resonatorstruktur kann ein Single-Frequenz-Faserlaser üblicherweise in DFB-, DBR- und Ringtypen unterteilt werden. Das Funktionsprinzip von DFB- und DBR-Single-Frequenz-Faserlasern ähnelt dem von DFB- und DBR-Halbleiterlasern.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, speichert der DFB-Faserlaser verteilte Bragg-Gitter in die Faser. Da die Arbeitswellenlänge des Oszillators von der Faserperiode beeinflusst wird, kann der Longitudinalmodus durch die verteilte Rückkopplung des Gitters ausgewählt werden. Der Laserresonator eines DBR-Lasers besteht üblicherweise aus einem Paar Faser-Bragg-Gittern, wobei der einzelne Longitudinalmodus hauptsächlich durch schmalbandige und wenig reflektierende Faser-Bragg-Gitter ausgewählt wird. Aufgrund des langen Resonators, der komplexen Struktur und des Fehlens eines effektiven Frequenzunterscheidungsmechanismus neigt der ringförmige Resonator jedoch zu Modensprüngen, was einen stabilen Betrieb im Longitudinalmodus über längere Zeit erschwert.
Abbildung 1, Zwei typische lineare Strukturen einer einzelnen FrequenzFaserlaser
Veröffentlichungszeit: 27. November 2023