เทคโนโลยีเลเซอร์เส้นแคบ ตอนที่ 1

วันนี้เราจะมาแนะนำเลเซอร์แบบ “โมโนโครเมติก” สู่เลเซอร์เส้นแคบสุดขั้ว การเกิดขึ้นของเลเซอร์ชนิดนี้ช่วยเติมเต็มช่องว่างในการประยุกต์ใช้เลเซอร์หลายแขนง และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เลเซอร์ชนิดนี้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ไลดาร์ (LiDAR) การตรวจจับแบบกระจาย การสื่อสารด้วยแสงความเร็วสูงแบบโคฮีเรนต์ และสาขาอื่นๆ ซึ่งถือเป็น “ภารกิจ” ที่ไม่สามารถบรรลุผลสำเร็จได้ด้วยการเพิ่มกำลังของเลเซอร์เพียงอย่างเดียว

เลเซอร์เส้นแคบคืออะไร?

คำว่า "ความกว้างของเส้น" หมายถึงความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ในโดเมนความถี่ ซึ่งโดยทั่วไปจะวัดเป็นค่าความกว้างเต็มของสเปกตรัม (FWHM) ครึ่งหนึ่งของจุดสูงสุด ความกว้างของเส้นส่วนใหญ่ได้รับผลกระทบจากการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองของอะตอมหรือไอออนที่ถูกกระตุ้น สัญญาณรบกวนเฟส การสั่นสะเทือนเชิงกลของเรโซเนเตอร์ ความสั่นไหวของอุณหภูมิ และปัจจัยภายนอกอื่นๆ ยิ่งค่าความกว้างของเส้นมีค่าน้อยเท่าใด ความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมก็จะยิ่งสูงขึ้น นั่นคือ เลเซอร์จะมีสีเดียว (monochromaticity) ที่ดีขึ้น เลเซอร์ที่มีคุณสมบัติเช่นนี้มักจะมีสัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่น้อยมาก และสัญญาณรบกวนความเข้มสัมพัทธ์น้อยมาก ในขณะเดียวกัน ยิ่งค่าความกว้างเชิงเส้นของเลเซอร์มีค่าน้อยเท่าใด ความสอดคล้องที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น ซึ่งแสดงออกมาในรูปแบบของความยาวความสอดคล้องที่ยาวมาก

การสร้างและการประยุกต์ใช้เลเซอร์เส้นแคบ

ด้วยข้อจำกัดของเส้นสเปกตรัมเกนของสารทำงานของเลเซอร์ ทำให้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะได้ผลลัพธ์ของเลเซอร์เส้นสเปกตรัมแคบโดยตรงโดยอาศัยออสซิลเลเตอร์แบบดั้งเดิม เพื่อให้การทำงานของเลเซอร์เส้นสเปกตรัมแคบสำเร็จได้ มักจำเป็นต้องใช้ฟิลเตอร์ เกรตติง และอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อจำกัดหรือเลือกโมดูลัสตามยาวในสเปกตรัมเกน เพิ่มความแตกต่างของค่าเกนสุทธิระหว่างโหมดตามยาว เพื่อให้มีการสั่นของโหมดตามยาวเพียงเล็กน้อยหรือเพียงหนึ่งโหมดในเรโซเนเตอร์เลเซอร์ ในกระบวนการนี้ มักจำเป็นต้องควบคุมอิทธิพลของสัญญาณรบกวนที่มีต่อผลลัพธ์ของเลเซอร์ และลดการขยายของเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมภายนอกให้น้อยที่สุด ในขณะเดียวกัน ยังสามารถใช้ร่วมกับการวิเคราะห์ความหนาแน่นของสเปกตรัมสัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่ เพื่อทำความเข้าใจแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนและปรับแต่งการออกแบบเลเซอร์ให้เหมาะสมที่สุด เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ของเลเซอร์เส้นสเปกตรัมแคบที่เสถียร

มาดูการนำการทำงานความกว้างเส้นแคบของเลเซอร์หลายประเภทมาใช้กัน

(1)เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อดีคือมีขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และมีประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

เครื่องสะท้อนแสง Fabry-Perot (FP) ที่ใช้ในแบบดั้งเดิมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปจะแกว่งในโหมดหลายตามยาว และความกว้างของเส้นเอาต์พุตค่อนข้างกว้าง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มการตอบรับทางแสงเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นแคบ

เลเซอร์แบบป้อนกลับแบบกระจาย (DFB) และแบบสะท้อนแบรกก์แบบกระจาย (DBR) เป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ป้อนกลับทางแสงภายในสองชนิดทั่วไป เนื่องจากระยะพิทช์ของเกรตติงที่แคบและการเลือกความยาวคลื่นที่ดี จึงทำให้ได้เอาต์พุตเส้นแคบที่ความถี่เดียวที่เสถียรและง่ายดาย ความแตกต่างหลักระหว่างโครงสร้างทั้งสองคือตำแหน่งของเกรตติง โดยทั่วไปแล้วโครงสร้าง DFB จะกระจายโครงสร้างแบบคาบของเกรตติงแบรกก์ไปทั่วเรโซเนเตอร์ และเรโซเนเตอร์ของ DBR มักประกอบด้วยโครงสร้างเกรตติงแบบสะท้อนและบริเวณเกนที่รวมเข้ากับพื้นผิวปลาย นอกจากนี้ เลเซอร์ DFB ยังใช้เกรตติงแบบฝังที่มีคอนทราสต์ดัชนีหักเหต่ำและค่าการสะท้อนแสงต่ำ เลเซอร์ DBR ใช้เกรตติงพื้นผิวที่มีคอนทราสต์ดัชนีหักเหสูงและการสะท้อนแสงสูง โครงสร้างทั้งสองมีช่วงสเปกตรัมอิสระที่กว้างและสามารถปรับความยาวคลื่นได้โดยไม่มีโหมดกระโดดในช่วงไม่กี่นาโนเมตร ในขณะที่เลเซอร์ DBR มีช่วงการปรับที่กว้างกว่าดีเอฟบี เลเซอร์นอกจากนี้ เทคโนโลยีการตอบรับแสงแบบโพรงภายนอก ซึ่งใช้องค์ประกอบแสงภายนอกในการตอบรับแสงขาออกจากชิปเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเลือกความถี่ ยังสามารถทำการทำงานด้วยความกว้างเส้นที่แคบของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้อีกด้วย

(2) เลเซอร์ไฟเบอร์

เลเซอร์ไฟเบอร์มีประสิทธิภาพการแปลงปั๊มสูง คุณภาพลำแสงดี และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง ซึ่งเป็นหัวข้อวิจัยที่ได้รับความนิยมอย่างมากในวงการเลเซอร์ ในยุคข้อมูลข่าวสาร เลเซอร์ไฟเบอร์มีความเข้ากันได้ดีกับระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงในปัจจุบัน เลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวที่มีข้อได้เปรียบด้านความกว้างของเส้นแคบ สัญญาณรบกวนต่ำ และค่าความสอดคล้องที่ดี ได้กลายเป็นหนึ่งในทิศทางสำคัญของการพัฒนา

การทำงานแบบโหมดตามยาวเดี่ยวเป็นหัวใจสำคัญของเลเซอร์ไฟเบอร์เพื่อให้ได้เอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นแคบ โดยทั่วไปแล้วเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวสามารถแบ่งตามโครงสร้างของเรโซเนเตอร์ได้เป็นประเภท DFB, DBR และ Ring เลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียว DFB และ DBR มีหลักการทำงานคล้ายคลึงกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ DFB และ DBR

ดังแสดงในรูปที่ 1 เลเซอร์ไฟเบอร์ DFB ทำหน้าที่เขียนเกรตติ้งแบรกก์แบบกระจายลงในไฟเบอร์ เนื่องจากความยาวคลื่นทำงานของออสซิลเลเตอร์ได้รับผลกระทบจากคาบของไฟเบอร์ จึงสามารถเลือกโหมดตามยาวได้ผ่านฟีดแบ็กแบบกระจายของเกรตติ้ง โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์เรโซเนเตอร์ของเลเซอร์ DBR จะประกอบด้วยเกรตติ้งแบรกก์แบบไฟเบอร์คู่หนึ่ง และโหมดตามยาวแบบเดี่ยวส่วนใหญ่จะใช้เกรตติ้งแบรกก์แบบไฟเบอร์แบนด์แคบและมีค่าการสะท้อนแสงต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเรโซเนเตอร์ยาว โครงสร้างที่ซับซ้อน และกลไกการแยกแยะความถี่ที่มีประสิทธิภาพไม่เพียงพอ โพรงรูปวงแหวนจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการกระโดดข้ามโหมด และยากต่อการทำงานอย่างเสถียรในโหมดตามยาวอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน

รูปที่ 1 โครงสร้างเชิงเส้นแบบทั่วไปสองแบบที่มีความถี่เดียวไฟเบอร์เลเซอร์