วิธีการวัดความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ความถี่เดียว

วิธีการวัดความกว้างของเส้นเลเซอร์ความถี่เดียว
บทความนี้สรุปวิธีการวัดความกว้างของเส้นเลเซอร์ความถี่เดียวหลายวิธี ตั้งแต่แบบหยาบไปจนถึงแบบละเอียด รวมถึงสถานการณ์การใช้งานและประเด็นทางเทคนิคต่างๆ ไว้ดังนี้:
1. การวัดโดยตรงด้วยสเปกโทรเมตร (การวัดแบบคร่าวๆ ความกว้างของเส้นสเปกตรัม ≥ ระดับ GHz)
ใช้สเปกโทรเมตรแบบตะแกรงหรือสเปกโทรเมตรแบบออปติคอล (OSA) เพื่อตรวจสอบว่าเป็นโหมดตามยาวเดี่ยวหรือไม่ วัดอัตราส่วนการลดทอนโหมดขอบและความกว้างของเส้นโหมดตามยาว ความละเอียดของสเปกโทรเมตรแบบออปติคอลทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 0.1-0.01 นาโนเมตร (สอดคล้องกับ 0.1-10 GHz สำหรับอินฟราเรดใกล้) และประสิทธิภาพสูงสามารถเข้าถึง 1 pm ซึ่งเหมาะสำหรับการคัดกรองเบื้องต้นสำหรับความกว้างของเส้นที่กว้างกว่าเท่านั้นเลเซอร์.
2. การสแกนมาตรฐาน Fabry-Perot (FP) (ความกว้างเส้นปานกลางแคบ)
เหมาะสำหรับเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบกว่า หรือระยะห่างของโหมดตามแนวยาวน้อยกว่าความละเอียดของสเปกโทรเมตรแบบออปติคอล เมื่อทำการวัด จำเป็นต้องพิจารณาจากอัตราส่วนของความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ต่อความกว้างของโหมดโพรง FP: เมื่อความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์มากกว่าความกว้างของโหมดโพรงมาก สามารถอ่านค่าได้โดยตรง เมื่อใกล้เคียงกัน จำเป็นต้องทำการดีคอนโวลูชัน และหากน้อยกว่ามาก จำเป็นต้องเปลี่ยนไปใช้ FP ที่มีความแม่นยำสูงกว่า หรือใช้เทคโนโลยีการสร้างแบบจำลองขอบเพื่อการประมาณค่า
3. เฮเทอโรไดน์/ดีเลย์ เซลฟ์เฮเทอโรไดน์และเซลฟ์โฮโมไดน์ (ความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ ช่วง kHz~MHz)
เมื่อเลเซอร์ความถี่เดี่ยวที่มีความสอดคล้องสูงเกินความละเอียดของสเปกโทรเมตรแบบออปติคอล มักจะใช้วิธีเฮเทอโรไดน์ (โดยใช้เลเซอร์อ้างอิงที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบมาก) หรือวิธีเฮเทอโรไดน์/โฮโมไดน์แบบหน่วงเวลา (โดยไม่ต้องใช้เลเซอร์อ้างอิง) อุปกรณ์ที่ใช้คืออินเตอร์เฟอโรเมตรแบบไฟเบอร์ Mach Zehnder หรือ Michelson โดยมีเวลาหน่วง τ d_d (กำหนดโดยความแตกต่างของความยาวไฟเบอร์) ระหว่างแขนทั้งสองข้าง; การเชื่อมต่อตัวปรับสัญญาณ AOMการเลื่อนความถี่เป็นการเฮเทอโรไดน์ในตัวเอง การไม่เชื่อมต่อเป็นการโฮโมไดน์ในตัวเอง ตัวปรับสัญญาณ AOM สามารถเลื่อนความถี่บีตออกจาก DC เพื่อลดการรบกวนความถี่ต่ำ
4. ข้อควรระวัง:
4.1 เส้นใยแก้วนำแสงที่มีความยาวมากจะได้รับผลกระทบจากการสั่นสะเทือน/การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และจำเป็นต้องปรับปรุงเสถียรภาพของอินเตอร์เฟอโรเมตร
4.2 ช่องจ่ายไฟทั้งสองช่องต้องมีความสมดุล และเครื่องขยายสัญญาณแสง EDFAสามารถใช้การชดเชยหรืออินเตอร์เฟอโรเมตรแบบหลายรอบวงแหวนไฟเบอร์ได้
4.3 เมื่อความกว้างของเส้นสัญญาณแคบมาก จะสามารถอ่านค่าความกว้างของเส้นสัญญาณได้ 20 dB จากนั้นจึงอนุมานความกว้างของเส้นสัญญาณได้ 3 dB โดยอิงจากรูปร่างเส้นสัญญาณแบบลอเรนซ์
4.4 ใช้ตัวควบคุมโพลาไรเซชัน (PC) หรือกระจกหมุนฟาราเดย์ (FRM) เพื่อลดการลดทอนของโพลาไรเซชัน