Heute stellen wir einen „monochromatischen“ Laser im Extremfall vor – einen Laser mit schmaler Linienbreite. Seine Entstehung füllt die Lücken in vielen Anwendungsbereichen von Lasern und wurde in den letzten Jahren in großem Umfang in der Gravitationswellenerkennung, LiDAR, verteilten Sensorik, kohärenten optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation und anderen Bereichen eingesetzt, was eine „Mission“ ist, die nicht möglich ist nur durch eine Verbesserung der Laserleistung erreicht werden.
Was ist ein Laser mit schmaler Linienbreite?
Der Begriff „Linienbreite“ bezieht sich auf die spektrale Linienbreite des Lasers im Frequenzbereich, die normalerweise anhand der Halbpeak-Vollbreite des Spektrums (FWHM) quantifiziert wird. Die Linienbreite wird hauptsächlich durch die spontane Strahlung angeregter Atome oder Ionen, Phasenrauschen, mechanische Vibration des Resonators, Temperaturschwankungen und andere externe Faktoren beeinflusst. Je kleiner der Wert der Linienbreite ist, desto höher ist die Reinheit des Spektrums, d. h. desto besser ist die Monochromatizität des Lasers. Laser mit solchen Eigenschaften weisen normalerweise ein sehr geringes Phasen- oder Frequenzrauschen und ein sehr geringes relatives Intensitätsrauschen auf. Gleichzeitig ist die entsprechende Kohärenz umso stärker, je kleiner der lineare Breitenwert des Lasers ist, was sich in einer extrem langen Kohärenzlänge äußert.
Realisierung und Anwendung eines Lasers mit schmaler Linienbreite
Aufgrund der inhärenten Verstärkungslinienbreite der Arbeitssubstanz des Lasers ist es fast unmöglich, die Leistung des Lasers mit schmaler Linienbreite direkt zu realisieren, indem man sich auf den herkömmlichen Oszillator selbst verlässt. Um den Betrieb eines Lasers mit schmaler Linienbreite zu realisieren, ist es normalerweise notwendig, Filter, Gitter und andere Geräte zu verwenden, um den Längsmodul im Verstärkungsspektrum zu begrenzen oder auszuwählen und die Nettoverstärkungsdifferenz zwischen den Längsmoden zu erhöhen, so dass es eine gibt wenige oder sogar nur eine longitudinale Modenschwingung im Laserresonator. Bei diesem Prozess ist es oft notwendig, den Einfluss von Rauschen auf die Laserleistung zu kontrollieren und die Verbreiterung der Spektrallinien, die durch Vibrationen und Temperaturänderungen der äußeren Umgebung verursacht wird, zu minimieren; Gleichzeitig kann es auch mit der Analyse der spektralen Dichte des Phasen- oder Frequenzrauschens kombiniert werden, um die Rauschquelle zu verstehen und das Design des Lasers zu optimieren, um so eine stabile Ausgabe des Lasers mit schmaler Linienbreite zu erreichen.
Werfen wir einen Blick auf die Realisierung des Betriebs mit schmaler Linienbreite verschiedener Laserkategorien.
Halbleiterlaser zeichnen sich durch kompakte Größe, hohe Effizienz, lange Lebensdauer und wirtschaftliche Vorteile aus.
Der traditionell verwendete optische Fabry-Perot (FP)-ResonatorHalbleiterlaseroszilliert im Allgemeinen im Multi-Longitudinal-Modus und die Ausgangslinienbreite ist relativ groß. Daher ist es erforderlich, die optische Rückkopplung zu erhöhen, um eine Ausgabe mit schmaler Linienbreite zu erhalten.
Verteilte Rückkopplung (DFB) und verteilte Bragg-Reflexion (DBR) sind zwei typische Halbleiterlaser mit interner optischer Rückkopplung. Aufgrund des kleinen Gitterabstands und der guten Wellenlängenselektivität ist es einfach, eine stabile Einzelfrequenz-Ausgabe mit schmaler Linienbreite zu erreichen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Strukturen ist die Position des Gitters: Die DFB-Struktur verteilt normalerweise die periodische Struktur des Bragg-Gitters über den gesamten Resonator, und der Resonator des DBR besteht normalerweise aus der Reflexionsgitterstruktur und dem darin integrierten Verstärkungsbereich die Endfläche. Darüber hinaus verwenden DFB-Laser eingebettete Gitter mit niedrigem Brechungsindexkontrast und geringem Reflexionsvermögen. DBR-Laser verwenden Oberflächengitter mit hohem Brechungsindexkontrast und hohem Reflexionsvermögen. Beide Strukturen verfügen über einen großen freien Spektralbereich und können eine Wellenlängenabstimmung ohne Modensprung im Bereich von einigen Nanometern durchführen, wobei der DBR-Laser einen größeren Abstimmbereich als der hatDFB-Laser. Darüber hinaus kann die optische Rückkopplungstechnologie mit externem Hohlraum, die externe optische Elemente verwendet, um das ausgehende Licht des Halbleiterlaserchips rückzukoppeln und die Frequenz auszuwählen, auch den Betrieb des Halbleiterlasers mit schmaler Linienbreite realisieren.
(2) Faserlaser
Faserlaser zeichnen sich durch eine hohe Pumpumwandlungseffizienz, eine gute Strahlqualität und eine hohe Kopplungseffizienz aus, was die wichtigsten Forschungsthemen im Laserbereich sind. Im Kontext des Informationszeitalters weisen Faserlaser eine gute Kompatibilität mit den aktuellen Glasfaserkommunikationssystemen auf dem Markt auf. Der Einzelfrequenz-Faserlaser mit den Vorteilen schmaler Linienbreite, geringem Rauschen und guter Kohärenz ist zu einer der wichtigen Entwicklungsrichtungen geworden.
Der Single-Longitudinal-Mode-Betrieb ist der Kern des Faserlasers, um eine schmale Linienbreitenausgabe zu erzielen. Normalerweise kann der Single-Frequenz-Faserlaser entsprechend der Struktur des Resonators in DFB-Typ, DBR-Typ und Ringtyp unterteilt werden. Unter ihnen ähnelt das Funktionsprinzip der DFB- und DBR-Einzelfrequenz-Faserlaser dem der DFB- und DBR-Halbleiterlaser.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, schreibt der DFB-Faserlaser ein verteiltes 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 des DBR-Lasers besteht normalerweise aus einem Paar Faser-Bragg-Gittern, und der einzelne Longitudinalmodus wird hauptsächlich durch schmalbandige Faser-Bragg-Gitter mit niedrigem Reflexionsvermögen ausgewählt. Aufgrund seines langen Resonators, seiner komplexen Struktur und des Fehlens eines wirksamen Frequenzunterscheidungsmechanismus ist der ringförmige Hohlraum jedoch anfällig für Modensprünge, und es ist schwierig, über einen langen Zeitraum stabil im konstanten Longitudinalmodus zu arbeiten.
Abbildung 1: Zwei typische lineare Strukturen einer einzelnen FrequenzFaserlaser
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. November 2023