เทคโนโลยีเลเซอร์เส้นแคบ ตอนที่ 1

วันนี้เราจะแนะนำเลเซอร์ "สีเดียว" ไปจนถึงเลเซอร์เส้นแคบสุดขั้ว การเกิดขึ้นของเลเซอร์ชนิดนี้ช่วยเติมเต็มช่องว่างในสาขาการประยุกต์ใช้เลเซอร์มากมาย และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เลเซอร์ชนิดนี้ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง liDAR การตรวจจับแบบกระจาย การสื่อสารด้วยแสงแบบต่อเนื่องความเร็วสูง และสาขาอื่นๆ ซึ่งเป็น "ภารกิจ" ที่ไม่สามารถทำให้สำเร็จได้เพียงแค่ปรับปรุงกำลังของเลเซอร์เท่านั้น

เลเซอร์เส้นแคบคืออะไร?

คำว่า "ความกว้างของเส้น" หมายถึงความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ในโดเมนความถี่ ซึ่งโดยปกติจะวัดเป็นค่าความกว้างเต็มครึ่งหนึ่งของสเปกตรัม (FWHM) ความกว้างของเส้นได้รับผลกระทบส่วนใหญ่จากการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองของอะตอมหรือไอออนที่ถูกกระตุ้น สัญญาณรบกวนเฟส การสั่นทางกลของเรโซเนเตอร์ ความสั่นไหวของอุณหภูมิ และปัจจัยภายนอกอื่นๆ ยิ่งค่าความกว้างของเส้นมีค่าน้อยเท่าไร ความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น นั่นคือ เลเซอร์จะมีสีเดียวได้ดีขึ้น เลเซอร์ที่มีลักษณะดังกล่าวมักจะมีสัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่น้อยมาก และสัญญาณรบกวนความเข้มสัมพัทธ์น้อยมาก ในขณะเดียวกัน ยิ่งค่าความกว้างเชิงเส้นของเลเซอร์มีค่าน้อยเท่าไร ความสอดคล้องที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น ซึ่งแสดงออกมาในรูปของความยาวความสอดคล้องที่ยาวมาก

การสร้างและการใช้งานเลเซอร์เส้นแคบ

เนื่องจากถูกจำกัดด้วยความกว้างของเส้นเกนโดยธรรมชาติของสารทำงานของเลเซอร์ จึงแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะรับรู้เอาต์พุตของเลเซอร์ความกว้างของเส้นแคบโดยตรงโดยอาศัยออสซิลเลเตอร์แบบดั้งเดิมเอง เพื่อให้บรรลุการทำงานของเลเซอร์ความกว้างของเส้นแคบ โดยปกติแล้วจำเป็นต้องใช้ฟิลเตอร์ กริดติ้ง และอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อจำกัดหรือเลือกโมดูลัสตามยาวในสเปกตรัมเกน เพิ่มความแตกต่างของเกนสุทธิระหว่างโหมดตามยาว เพื่อให้มีการสั่นของโหมดตามยาวเพียงไม่กี่โหมดหรือแม้แต่โหมดเดียวในเรโซเนเตอร์เลเซอร์ ในกระบวนการนี้ มักจำเป็นต้องควบคุมอิทธิพลของสัญญาณรบกวนต่อเอาต์พุตของเลเซอร์ และลดการขยายของเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมภายนอกให้น้อยที่สุด ในขณะเดียวกัน ยังสามารถรวมกับการวิเคราะห์ความหนาแน่นของสเปกตรัมสัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่เพื่อทำความเข้าใจแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนและปรับให้การออกแบบเลเซอร์เหมาะสมที่สุด เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ความกว้างของเส้นแคบที่เสถียร

มาดูการใช้งานการทำงานความกว้างเส้นแคบของเลเซอร์หลายประเภทกัน

(1)เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อได้เปรียบคือขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และมีประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

เครื่องสะท้อนเสียงแบบออปติคัล Fabry-Perot (FP) ที่ใช้ในแบบดั้งเดิมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปจะแกว่งในโหมดหลายตามยาว และความกว้างของเส้นเอาท์พุตค่อนข้างกว้าง ดังนั้น จึงจำเป็นต้องเพิ่มการตอบสนองแบบออปติคัลเพื่อให้ได้เอาท์พุตที่มีความกว้างของเส้นแคบ

เลเซอร์แบบ Distributed Feedback (DFB) และ Distributed Bragg reflection (DBR) เป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบออปติกภายในสองชนิดทั่วไป เนื่องจากระยะห่างระหว่างกริดที่เล็กและการเลือกความยาวคลื่นที่ดี จึงทำให้สามารถสร้างเอาต์พุตเส้นความกว้างแคบความถี่เดียวที่เสถียรได้อย่างง่ายดาย ความแตกต่างหลักระหว่างโครงสร้างทั้งสองคือตำแหน่งของกริด โดยทั่วไปแล้ว โครงสร้าง DFB จะกระจายโครงสร้างเป็นระยะของกริด Bragg ไปทั่วทั้งเรโซเนเตอร์ และเรโซเนเตอร์ของ DBR จะประกอบด้วยโครงสร้างกริดสะท้อนแสงและบริเวณเกนที่รวมเข้ากับพื้นผิวปลาย นอกจากนี้ เลเซอร์ DFB ยังใช้กริดฝังที่มีคอนทราสต์ดัชนีหักเหแสงต่ำและมีค่าการสะท้อนแสงต่ำ เลเซอร์ DBR ใช้กริดพื้นผิวที่มีคอนทราสต์ดัชนีหักเหแสงสูง และมีค่าการสะท้อนแสงสูง โครงสร้างทั้งสองมีช่วงสเปกตรัมอิสระขนาดใหญ่และสามารถปรับความยาวคลื่นได้โดยไม่มีโหมดกระโดดในช่วงไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งเลเซอร์ DBR มีช่วงการปรับที่กว้างกว่าดีเอฟบี เลเซอร์นอกจากนี้ เทคโนโลยีการตอบรับแสงแบบโพรงภายนอก ซึ่งใช้องค์ประกอบออปติกภายนอกในการตอบรับแสงขาออกของชิปเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ และเลือกความถี่ ยังสามารถทำการทำงานความกว้างเส้นแคบของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้อีกด้วย

(2) ไฟเบอร์เลเซอร์

ไฟเบอร์เลเซอร์มีประสิทธิภาพการแปลงปั๊มสูง คุณภาพลำแสงดี และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง ซึ่งเป็นหัวข้อการวิจัยที่ได้รับความนิยมในสาขาเลเซอร์ ในบริบทของยุคข้อมูล ไฟเบอร์เลเซอร์มีความเข้ากันได้ดีกับระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงในตลาดปัจจุบัน ไฟเบอร์เลเซอร์ความถี่เดียวที่มีข้อได้เปรียบของความกว้างของเส้นแคบ เสียงรบกวนต่ำ และความสอดคล้องที่ดี ได้กลายเป็นหนึ่งในทิศทางสำคัญของการพัฒนา

การทำงานในโหมดตามยาวเดี่ยวเป็นแกนหลักของไฟเบอร์เลเซอร์เพื่อให้ได้เอาต์พุตความกว้างของเส้นที่แคบ โดยปกติจะแบ่งตามโครงสร้างของเรโซเนเตอร์ของไฟเบอร์เลเซอร์ความถี่เดี่ยวได้เป็นประเภท DFB ประเภท DBR และประเภทวงแหวน ในหมู่พวกเขา หลักการทำงานของไฟเบอร์เลเซอร์ความถี่เดี่ยว DFB และ DBR นั้นคล้ายคลึงกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ DFB และ DBR

ดังแสดงในรูปที่ 1 เลเซอร์ไฟเบอร์ DFB จะเขียนกริดแบร็กก์แบบกระจายลงในไฟเบอร์ เนื่องจากความยาวคลื่นในการทำงานของออสซิลเลเตอร์ได้รับผลกระทบจากช่วงเวลาของไฟเบอร์ จึงสามารถเลือกโหมดตามยาวได้ผ่านการตอบรับแบบกระจายของกริด เรโซเนเตอร์เลเซอร์ของเลเซอร์ DBR มักก่อตัวจากกริดแบร็กก์ไฟเบอร์คู่หนึ่ง และโหมดตามยาวเดี่ยวส่วนใหญ่เลือกจากกริดแบร็กก์ไฟเบอร์แบนด์แคบและการสะท้อนแสงต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเรโซเนเตอร์ยาว โครงสร้างที่ซับซ้อน และขาดกลไกการแยกแยะความถี่ที่มีประสิทธิภาพ โพรงรูปวงแหวนจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการกระโดดของโหมด และยากต่อการทำงานอย่างเสถียรในโหมดตามยาวคงที่เป็นเวลานาน

รูปที่ 1 โครงสร้างเชิงเส้นแบบทั่วไปสองแบบที่มีความถี่เดียวไฟเบอร์เลเซอร์