Heute stellen wir einen extrem schmalbandigen Laser vor, der als „monochromatischer“ Laser gilt. Seine Entwicklung schließt Lücken in vielen Anwendungsbereichen der Lasertechnologie und hat in den letzten Jahren breite Anwendung in der Gravitationswellendetektion, LiDAR, verteilten Sensorik, kohärenter optischer Hochgeschwindigkeitskommunikation und anderen Bereichen gefunden – eine Aufgabe, die sich nicht allein durch eine Steigerung der Laserleistung bewältigen lässt.
Was ist ein Laser mit schmaler Linienbreite?
Der Begriff „Linienbreite“ bezeichnet die spektrale Linienbreite eines Lasers im Frequenzbereich, die üblicherweise als Halbwertsbreite (FWHM) angegeben wird. Die Linienbreite wird hauptsächlich durch die Spontanstrahlung angeregter Atome oder Ionen, Phasenrauschen, mechanische Schwingungen des Resonators, Temperaturschwankungen und andere externe Faktoren beeinflusst. Je kleiner die Linienbreite, desto höher die Reinheit des Spektrums, d. h. desto besser die Monochromasie des Lasers. Laser mit solchen Eigenschaften weisen in der Regel ein sehr geringes Phasen- und Frequenzrauschen sowie ein sehr geringes relatives Intensitätsrauschen auf. Gleichzeitig gilt: Je kleiner die Linienbreite des Lasers, desto stärker die zugehörige Kohärenz, die sich in einer extrem langen Kohärenzlänge äußert.
Realisierung und Anwendung eines Lasers mit schmaler Linienbreite
Aufgrund der durch das Lasermaterial bedingten Linienbreite ist es nahezu unmöglich, mit herkömmlichen Oszillatoren direkt einen Laser mit schmaler Linienbreite zu erzeugen. Um einen solchen Laser zu realisieren, werden üblicherweise Filter, Gitter und andere Bauelemente eingesetzt, um den longitudinalen Betrag im Verstärkungsspektrum zu begrenzen oder auszuwählen und die Nettoverstärkungsdifferenz zwischen den longitudinalen Moden zu erhöhen. Dadurch schwingt im Laserresonator nur noch eine oder sogar nur noch eine longitudinale Mode. Dabei ist es oft notwendig, den Einfluss von Rauschen auf die Laserleistung zu kontrollieren und die durch Vibrationen und Temperaturänderungen der Umgebung verursachte Linienverbreiterung zu minimieren. Zusätzlich kann die Analyse der Phasen- oder Frequenzrauschdichte genutzt werden, um die Rauschquellen zu identifizieren und das Laserdesign zu optimieren. So lässt sich eine stabile Leistung des Lasers mit schmaler Linienbreite erzielen.
Betrachten wir nun die Realisierung des Betriebs mit schmaler Linienbreite bei verschiedenen Laserkategorien.
Halbleiterlaser zeichnen sich durch kompakte Bauweise, hohe Effizienz, lange Lebensdauer und wirtschaftliche Vorteile aus.
Der Fabry-Perot (FP) optische Resonator, der in traditionellenHalbleiterlaserIm Allgemeinen oszilliert es im Multi-Longitudinal-Modus, und die Ausgangslinienbreite ist relativ groß, daher ist es notwendig, die optische Rückkopplung zu erhöhen, um eine schmale Ausgangslinienbreite zu erzielen.
Verteilte Rückkopplung (DFB) und verteilte Bragg-Reflexion (DBR) sind zwei typische Halbleiterlaser mit interner optischer Rückkopplung. Dank der geringen Gitterkonstante und der guten Wellenlängenselektivität lässt sich leicht ein stabiles, schmalbandiges Einzelfrequenzsignal erzielen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Strukturen liegt in der Position des Gitters: Bei der DFB-Struktur ist die periodische Bragg-Gitterstruktur üblicherweise im gesamten Resonator verteilt, während der Resonator des DBR in der Regel aus der Reflexionsgitterstruktur und der in die Endfläche integrierten Verstärkungszone besteht. Darüber hinaus verwenden DFB-Laser eingebettete Gitter mit niedrigem Brechungsindexkontrast und geringer Reflektivität. DBR-Laser hingegen verwenden Oberflächengitter mit hohem Brechungsindexkontrast und hoher Reflektivität. Beide Strukturen weisen einen großen freien Spektralbereich auf und ermöglichen eine Wellenlängenabstimmung ohne Modensprung im Bereich weniger Nanometer, wobei der DBR-Laser einen größeren Abstimmbereich als der DFB-Laser besitzt.DFB-LaserDarüber hinaus kann die Technologie der externen optischen Rückkopplung, bei der externe optische Elemente verwendet werden, um das austretende Licht des Halbleiterlaserchips zurückzukoppeln und die Frequenz auszuwählen, auch den Betrieb des Halbleiterlasers mit schmaler Linienbreite realisieren.
(2) Faserlaser
Faserlaser zeichnen sich durch hohe Pumpumwandlungseffizienz, gute Strahlqualität und hohe Kopplungseffizienz aus und sind daher aktuelle Forschungsthemen im Laserbereich. Im Informationszeitalter sind Faserlaser gut mit den gängigen optischen Faserkommunikationssystemen kompatibel. Der Einzelfrequenz-Faserlaser mit seinen Vorteilen wie schmaler Linienbreite, geringem Rauschen und guter Kohärenz hat sich zu einem wichtigen Entwicklungsfeld entwickelt.
Der Betrieb im Einzelmodenbetrieb ist das Kernprinzip von Faserlasern zur Erzeugung schmaler Linienbreiten. Faserlaser mit einer einzigen Frequenz lassen sich üblicherweise anhand der Resonatorstruktur in DFB-, DBR- und Ringlaser unterteilen. Das Funktionsprinzip von DFB- und DBR-Faserlasern mit einer einzigen Frequenz ähnelt dem von DFB- und DBR-Halbleiterlasern.
Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird bei einem DFB-Faserlaser ein verteiltes Bragg-Gitter in die Faser geschrieben. Da die Arbeitswellenlänge des Oszillators von der Faserperiode abhängt, kann der longitudinale Modus durch die verteilte Rückkopplung des Gitters ausgewählt werden. Der Laserresonator eines DBR-Lasers besteht üblicherweise aus zwei Faser-Bragg-Gittern, wobei der einzelne longitudinale Modus hauptsächlich durch schmalbandige und niedrigreflektierende Faser-Bragg-Gitter ausgewählt wird. Aufgrund seines langen Resonators, seiner komplexen Struktur und des Fehlens eines effektiven Frequenzdiskriminierungsmechanismus neigt der ringförmige Resonator jedoch zu Modensprüngen und kann nicht über längere Zeit stabil im konstanten longitudinalen Modus betrieben werden.
Abbildung 1, Zwei typische lineare Strukturen einer einzelnen FrequenzFaserlaser
Veröffentlichungsdatum: 27. November 2023