Hoje, apresentaremos um laser “monocromático” ao extremo: o laser de linha espectral estreita. Seu surgimento preenche lacunas em muitos campos de aplicação do laser e, nos últimos anos, tem sido amplamente utilizado na detecção de ondas gravitacionais, LiDAR, sensoriamento distribuído, comunicação óptica coerente de alta velocidade e outras áreas, uma “missão” que não pode ser cumprida apenas com o aumento da potência do laser.
O que é um laser de linha espectral estreita?
O termo “largura de linha” refere-se à largura da linha espectral do laser no domínio da frequência, geralmente quantificada em termos da largura total à meia altura do espectro (FWHM). A largura de linha é afetada principalmente pela radiação espontânea de átomos ou íons excitados, ruído de fase, vibração mecânica do ressonador, variação 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 essas características geralmente apresentam muito pouco ruído de fase ou de frequência e muito pouco ruído de intensidade relativa. Ao mesmo tempo, quanto menor o valor da largura de linha do laser, maior a coerência correspondente, que se manifesta como um comprimento de coerência extremamente longo.
Realização e aplicação de laser de linha estreita
Devido à limitação inerente à largura de linha do ganho do material de trabalho do laser, é praticamente impossível obter diretamente um laser de linha espectral estreita utilizando apenas um oscilador tradicional. Para alcançar esse desempenho, geralmente é necessário utilizar filtros, grades de difração e outros dispositivos para limitar ou selecionar o módulo longitudinal no espectro de ganho, aumentando a diferença de ganho líquida entre os modos longitudinais, de modo que haja poucas ou até mesmo apenas uma oscilação de modo longitudinal no ressonador do laser. Nesse processo, é frequentemente necessário controlar a influência do ruído na saída do laser e minimizar o alargamento das linhas espectrais causado por vibrações e variações de temperatura do ambiente externo. Ao mesmo tempo, pode-se combinar essa análise com a análise da densidade espectral de ruído de fase ou frequência para compreender a origem do ruído e otimizar o projeto do laser, de forma a obter uma saída estável de linha espectral estreita.
Vamos analisar a implementação da operação com largura de linha estreita em diversas categorias de lasers.
Os lasers semicondutores apresentam as vantagens de tamanho compacto, alta eficiência, longa vida útil e benefícios econômicos.
O ressonador óptico Fabry-Perot (FP) usado em circuitos tradicionaislasers semicondutoresgeralmente oscila em múltiplos modos longitudinais, e a largura da linha de saída é relativamente ampla, sendo necessário aumentar o feedback óptico para obter uma saída com largura de linha estreita.
A realimentação distribuída (DFB) e a reflexão de Bragg distribuída (DBR) são dois tipos típicos de lasers semicondutores com realimentação óptica interna. Devido ao pequeno espaçamento da grade e à boa seletividade de comprimento de onda, é fácil obter uma saída estável com largura de linha estreita em uma única frequência. 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, enquanto o ressonador do DBR geralmente é composto pela estrutura da grade de reflexão e pela região de ganho integradas à superfície final. Além disso, os lasers DFB utilizam grades embutidas com baixo contraste de índice de refração e baixa refletividade. Os lasers DBR utilizam grades de superfície com alto contraste de índice de refração e alta refletividade. Ambas as estruturas possuem uma grande faixa espectral livre e podem realizar o ajuste de comprimento de onda sem salto de modo na faixa de alguns nanômetros, sendo que o laser DBR possui uma faixa de ajuste mais ampla do que o laser DBR.laser DFBAlém disso, a tecnologia de realimentação óptica de cavidade externa, que utiliza elementos ópticos externos para realimentar a luz emitida pelo chip laser semicondutor e selecionar a frequência, também permite a operação do laser semicondutor com largura de linha estreita.
(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 voga na área de lasers. No contexto da era da informação, os lasers de fibra demonstram boa compatibilidade com os sistemas de comunicação por fibra óptica atualmente disponíveis no mercado. O laser de fibra de frequência única, com suas vantagens de largura de linha estreita, baixo ruído e boa coerência, tornou-se uma das importantes direções de desenvolvimento nessa área.
A operação em modo longitudinal único é fundamental para que o laser de fibra alcance uma saída com largura de linha estreita. Geralmente, de acordo com a estrutura do ressonador, os lasers de fibra de frequência única podem ser divididos em tipo DFB, tipo DBR e tipo anel. Dentre eles, o princípio de funcionamento dos lasers de fibra de frequência única DFB e DBR é semelhante ao dos lasers semicondutores DFB e DBR.
Como mostrado na Figura 1, o laser de fibra DFB consiste na gravação de uma grade de Bragg distribuída na fibra. Como o comprimento de onda de operação do oscilador é afetado pelo período da fibra, o modo longitudinal pode ser selecionado através do feedback distribuído da grade. O ressonador do laser DBR é geralmente formado por um par de grades de Bragg de fibra, e o modo longitudinal único é selecionado principalmente por grades de Bragg 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 um modo longitudinal constante por um longo período.
Figura 1. Duas estruturas lineares típicas de frequência única.lasers de fibra
Data da publicação: 27/11/2023