Hoje, apresentaremos um laser “monocromático” ao laser de largura de linha extremamente 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 outros campos, o que é uma “missão” que não pode ser concluído apenas melhorando a potência do laser.
O que é um laser de largura de linha estreita?
O termo “largura de linha” refere-se à largura da linha espectral do laser no domínio da frequência, que geralmente é quantificada em termos de largura total de meio pico 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, oscilação de temperatura e outros fatores externos.Quanto menor o valor da largura da linha, maior será a pureza do espectro, ou seja, melhor será 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 for o valor da largura linear do laser, mais forte será a coerência correspondente, que se manifesta como um comprimento de coerência extremamente longo.
Realização e aplicação de laser de largura 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 líquida de ganho entre os modos longitudinais, de modo que haja um poucas ou mesmo apenas uma oscilação de modo longitudinal no ressonador laser.Neste processo, muitas vezes é necessário controlar a influência do ruído na saída do laser e minimizar o alargamento das linhas espectrais causado pelas vibrações 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 compreender a fonte do ruído e otimizar o design do laser, de modo a obter uma saída estável do laser de largura de linha estreita.
Vamos dar uma olhada na realização da operação em largura de linha estreita de várias 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 emlasers semicondutoresgeralmente oscila no modo multilongitudinal e a largura da linha de saída é relativamente larga, por isso é necessário aumentar o feedback óptico para obter a saída de largura de linha estreita.
O feedback distribuído (DFB) e a reflexão de Bragg distribuída (DBR) são dois lasers semicondutores de feedback óptico interno típicos.Devido ao pequeno passo da grade e à boa seletividade do comprimento de onda, é fácil obter uma saída estável de largura de linha estreita de frequência única.A principal diferença entre as duas estruturas é a posição da rede: a estrutura DFB geralmente distribui a estrutura periódica da rede de Bragg por todo o ressonador, e o ressonador do DBR é geralmente composto pela estrutura da rede de reflexão e pela região de ganho integrada em a superfície final.Além disso, os lasers DFB usam grades incorporadas 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 possuem uma grande faixa espectral livre e podem realizar sintonia de comprimento de onda sem salto de modo na faixa de alguns nanômetros, onde o laser DBR possui uma faixa de sintonia mais ampla que o laser DBR.Laser DFB.Além disso, a tecnologia de feedback óptico de cavidade externa, que usa elementos ópticos externos para realimentar a luz de saída do chip 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 têm alta eficiência de conversão de bomba, boa qualidade de feixe e alta eficiência de acoplamento, que são os principais tópicos de pesquisa no campo do laser.No contexto da era da informação, os lasers de fibra apresentam boa compatibilidade com os atuais sistemas de comunicação por fibra óptica do 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 de largura de linha estreita, geralmente de acordo com a estrutura do ressonador do laser de fibra de frequência única pode ser dividido em tipo DFB, tipo DBR e tipo de 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 deve escrever redes de Bragg distribuídas na fibra.Como o comprimento de onda de trabalho do oscilador é afetado pelo período da fibra, o modo longitudinal pode ser selecionado através do feedback distribuído 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 e é difícil trabalhar de forma estável em modo longitudinal constante por um longo tempo.
Figura 1, Duas estruturas lineares típicas de frequência únicalasers de fibra
Horário da postagem: 27 de novembro de 2023