Hoje, apresentaremos um laser "monocromático" para o extremo – laser de largura de linha estreita. Seu surgimento preenche lacunas em muitos campos de aplicação do laser e, nos últimos anos, tem sido amplamente utilizado em detecção de ondas gravitacionais, LiDAR, sensoriamento distribuído, comunicação óptica coerente de alta velocidade e outros campos, sendo uma "missão" que não pode ser concluída apenas com o aprimoramento da potência do laser.
O que é um laser de largura de linha estreita?
O termo "largura de linha" refere-se à largura de linha espectral do laser no domínio da frequência, que geralmente é quantificada em termos da largura total do espectro de meio pico (FWHM). A largura de linha é afetada principalmente pela radiação espontânea de átomos ou íons excitados, ruído de fase, vibração mecânica do ressonador, jitter de temperatura e outros fatores externos. Quanto menor o valor da largura de linha, maior a pureza do espectro, ou seja, melhor a monocromaticidade do laser. Lasers com tais características geralmente apresentam muito pouco ruído de fase ou frequência e muito pouco ruído de intensidade relativa. Ao mesmo tempo, quanto menor o valor da largura linear do laser, mais forte é a coerência correspondente, que se manifesta como um comprimento de coerência extremamente longo.
Realização e aplicação de laser de linha estreita
Limitado pela largura de linha de ganho inerente da substância de trabalho do laser, é quase impossível realizar diretamente a saída do laser de largura de linha estreita confiando no próprio oscilador tradicional. Para realizar a operação do laser de largura de linha estreita, geralmente é necessário usar filtros, grades e outros dispositivos para limitar ou selecionar o módulo longitudinal no espectro de ganho, aumentar a diferença de ganho líquido entre os modos longitudinais, de modo que haja poucas ou mesmo apenas uma oscilação de modo longitudinal no ressonador do laser. Nesse processo, muitas vezes é necessário controlar a influência do ruído na saída do laser e minimizar o alargamento das linhas espectrais causado pela vibração e mudanças de temperatura do ambiente externo; ao mesmo tempo, também pode ser combinado com a análise da densidade espectral do ruído de fase ou frequência para entender a fonte do ruído e otimizar o projeto do laser, de modo a obter uma saída estável do laser de largura de linha estreita.
Vamos dar uma olhada na realização da operação de largura de linha estreita de diversas categorias diferentes de lasers.
Os lasers semicondutores têm as vantagens de tamanho compacto, alta eficiência, longa vida útil e benefícios econômicos.
O ressonador óptico Fabry-Perot (FP) usado em aplicações tradicionaislasers semicondutoresgeralmente oscila no modo multilongitudinal, e a largura da linha de saída é relativamente ampla, por isso é necessário aumentar o feedback óptico para obter a saída de largura de linha estreita.
Feedback Distribuído (DFB) e Reflexão de Bragg Distribuída (DBR) são dois lasers semicondutores típicos com feedback óptico interno. Devido ao pequeno passo da grade e à boa seletividade do comprimento de onda, é fácil obter uma saída estável de frequência única com largura de linha estreita. A principal diferença entre as duas estruturas é a posição da grade: a estrutura DFB geralmente distribui a estrutura periódica da grade de Bragg por todo o ressonador, e o ressonador do DBR é geralmente composto pela estrutura da grade de reflexão e pela região de ganho integrada à superfície final. Além disso, os lasers DFB usam grades embutidas com baixo contraste de índice de refração e baixa refletividade. Os lasers DBR usam grades de superfície com alto contraste de índice de refração e alta refletividade. Ambas as estruturas têm uma ampla faixa espectral livre e podem realizar o ajuste de comprimento de onda sem salto de modo na faixa de alguns nanômetros, onde o laser DBR tem uma faixa de ajuste mais ampla do que oLaser DFB. Além disso, a tecnologia de feedback óptico de cavidade externa, que usa elementos ópticos externos para realimentar a luz de saída do chip de laser semicondutor e selecionar a frequência, também pode realizar a operação de largura de linha estreita do laser semicondutor.
(2) Lasers de fibra
Os lasers de fibra apresentam alta eficiência de conversão de bombeamento, boa qualidade de feixe e alta eficiência de acoplamento, sendo temas de pesquisa em alta na área de laser. No contexto da era da informação, os lasers de fibra apresentam boa compatibilidade com os atuais sistemas de comunicação por fibra óptica disponíveis no mercado. O laser de fibra de frequência única, com as vantagens de largura de linha estreita, baixo ruído e boa coerência, tornou-se uma das direções importantes de seu desenvolvimento.
A operação em modo longitudinal único é o núcleo do laser de fibra para obter uma saída com largura de linha estreita. Geralmente, de acordo com a estrutura do ressonador, o laser de fibra de frequência única pode ser dividido em tipo DFB, tipo DBR e tipo anel. Entre eles, o princípio de funcionamento dos lasers de fibra de frequência única DFB e DBR é semelhante ao dos lasers semicondutores DFB e DBR.
Conforme mostrado na Figura 1, o laser de fibra DFB utiliza uma rede de Bragg distribuída na fibra. Como o comprimento de onda de trabalho do oscilador é afetado pelo período da fibra, o modo longitudinal pode ser selecionado por meio da realimentação distribuída da rede. O ressonador laser do laser DBR é geralmente formado por um par de redes de Bragg de fibra, e o modo longitudinal único é selecionado principalmente por redes de Bragg de fibra de banda estreita e baixa refletividade. No entanto, devido ao seu longo ressonador, estrutura complexa e falta de um mecanismo eficaz de discriminação de frequência, a cavidade em forma de anel é propensa a saltos de modo, sendo difícil operar de forma estável em modo longitudinal constante por um longo período.
Figura 1, Duas estruturas lineares típicas de frequência únicalasers de fibra
Horário da publicação: 27/11/2023