เทคโนโลยีเลเซอร์เส้นความกว้างแคบ ตอนที่ 1

วันนี้ เราจะมาแนะนำเลเซอร์แบบ “เอกรงค์” กับเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นตรงที่แคบมาก การเกิดขึ้นดังกล่าวช่วยเติมเต็มช่องว่างในการใช้งานเลเซอร์หลายประเภท และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง, liDAR, การตรวจจับแบบกระจาย, การสื่อสารด้วยแสงที่สอดคล้องกันความเร็วสูง และสาขาอื่น ๆ ซึ่งเป็น "ภารกิจ" ที่ไม่สามารถทำได้ เสร็จสิ้นโดยการปรับปรุงกำลังเลเซอร์เท่านั้น

เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นแคบคืออะไร?

คำว่า "ความกว้างของเส้น" หมายถึงความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ในโดเมนความถี่ ซึ่งโดยปกติแล้วจะถูกวัดปริมาณในรูปของความกว้างเต็มครึ่งยอดของสเปกตรัม (FWHM) ความกว้างของเส้นจะได้รับผลกระทบหลักๆ จากการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองของอะตอมหรือไอออนที่ถูกกระตุ้น สัญญาณรบกวนของเฟส การสั่นสะเทือนทางกลของเครื่องสะท้อนกลับ ความกระวนกระวายใจของอุณหภูมิ และปัจจัยภายนอกอื่นๆ ยิ่งค่าของความกว้างของเส้นมีค่าน้อย ความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมก็จะยิ่งสูงขึ้น นั่นก็คือค่าความเป็นเอกรงค์ของเลเซอร์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น เลเซอร์ที่มีลักษณะดังกล่าวมักจะมีสัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่น้อยมาก และมีสัญญาณรบกวนที่มีความเข้มสัมพัทธ์น้อยมาก ในเวลาเดียวกัน ยิ่งค่าความกว้างเชิงเส้นของเลเซอร์มีค่าน้อย การเชื่อมโยงที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีความยาวการเชื่อมโยงกันที่ยาวมาก

การรับรู้และการประยุกต์ใช้เลเซอร์เส้นตรงแคบ

ถูกจำกัดด้วยความกว้างของเส้นขยายโดยธรรมชาติของสารทำงานของเลเซอร์ แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะรับรู้เอาท์พุตของเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นแคบโดยตรงโดยการอาศัยออสซิลเลเตอร์แบบเดิม เพื่อให้ทราบถึงการทำงานของเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นแคบ โดยปกติจำเป็นต้องใช้ตัวกรอง ตะแกรง และอุปกรณ์อื่น ๆ เพื่อจำกัดหรือเลือกโมดูลัสตามยาวในสเปกตรัมที่ได้รับ เพิ่มความแตกต่างที่ได้รับสุทธิระหว่างโหมดตามยาว เพื่อให้มี การสั่นของโหมดตามยาวเพียงเล็กน้อยหรือเพียงครั้งเดียวในตัวสะท้อนเลเซอร์ ในกระบวนการนี้ มักจะจำเป็นต้องควบคุมอิทธิพลของสัญญาณรบกวนที่มีต่อเอาท์พุตเลเซอร์ และลดความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมภายนอก ในเวลาเดียวกัน ยังสามารถใช้ร่วมกับการวิเคราะห์ความหนาแน่นสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนในเฟสหรือความถี่เพื่อทำความเข้าใจแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนและเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบของเลเซอร์ เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นแคบที่เสถียร

มาดูการตระหนักถึงการดำเนินการที่มีความกว้างของเส้นแคบของเลเซอร์ประเภทต่างๆ กัน

(1)เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อดีคือขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

ตัวสะท้อนแสง Fabry-Perot (FP) ที่ใช้ในแบบดั้งเดิมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปจะแกว่งในโหมดหลายยาว และความกว้างของเส้นเอาต์พุตค่อนข้างกว้าง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มการตอบสนองแบบออปติคอลเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นแคบ

Distributed Feedback (DFB) และการสะท้อนแบบ Distributed Bragg (DBR) เป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ป้อนกลับแบบออปติกทั่วไปสองแบบ เนื่องจากระยะพิตช์ตะแกรงขนาดเล็กและการเลือกความยาวคลื่นที่ดี จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะได้เอาต์พุตไลน์ความกว้างความถี่เดี่ยวที่เสถียร ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างโครงสร้างทั้งสองคือตำแหน่งของตะแกรง: โครงสร้าง DFB มักจะกระจายโครงสร้างตามคาบของตะแกรง Bragg ไปทั่วตัวสะท้อนเสียง และเสียงสะท้อนของ DBR มักจะประกอบด้วยโครงสร้างตะแกรงสะท้อนและบริเวณเกนที่รวมเข้ากับ พื้นผิวด้านท้าย นอกจากนี้ เลเซอร์ DFB ยังใช้ตะแกรงแบบฝังซึ่งมีคอนทราสต์ของดัชนีการหักเหแสงต่ำและการสะท้อนแสงต่ำ เลเซอร์ DBR ใช้ตะแกรงพื้นผิวที่มีความเปรียบต่างของดัชนีการหักเหแสงสูงและการสะท้อนแสงสูง โครงสร้างทั้งสองมีช่วงสเปกตรัมอิสระขนาดใหญ่ และสามารถปรับความยาวคลื่นได้โดยไม่ต้องข้ามโหมดในช่วงไม่กี่นาโนเมตร โดยที่เลเซอร์ DBR มีช่วงการปรับที่กว้างกว่าเดเอฟเบ เลเซอร์- นอกจากนี้ เทคโนโลยีป้อนกลับด้วยแสงช่องภายนอก ซึ่งใช้องค์ประกอบแสงภายนอกเพื่อป้อนกลับแสงขาออกของชิปเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเลือกความถี่ ยังสามารถตระหนักถึงการทำงานของเส้นตรงที่แคบของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

(2) ไฟเบอร์เลเซอร์

ไฟเบอร์เลเซอร์มีประสิทธิภาพในการแปลงปั๊มสูง มีคุณภาพลำแสงที่ดี และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง ซึ่งเป็นหัวข้อการวิจัยที่กำลังได้รับความนิยมในสาขาเลเซอร์ ในบริบทของยุคข้อมูลข่าวสาร ไฟเบอร์เลเซอร์มีความเข้ากันได้ดีกับระบบการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติกในปัจจุบันในตลาด เลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดี่ยวที่มีข้อดีคือความกว้างของเส้นแคบ สัญญาณรบกวนต่ำ และการเชื่อมโยงกันที่ดีได้กลายเป็นหนึ่งในทิศทางสำคัญของการพัฒนา

การทำงานของโหมดตามยาวเดี่ยวเป็นแกนหลักของไฟเบอร์เลเซอร์เพื่อให้ได้เอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นแคบ โดยทั่วไปตามโครงสร้างของตัวสะท้อนของเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวสามารถแบ่งออกเป็นประเภท DFB, ประเภท DBR และประเภทวงแหวน หลักการทำงานของเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดี่ยว DFB และ DBR นั้นคล้ายคลึงกับหลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ DFB และ DBR

ดังแสดงในรูปที่ 1 ไฟเบอร์เลเซอร์ของ DFB จะเขียนตะแกรง Bragg แบบกระจายลงในไฟเบอร์ เนื่องจากความยาวคลื่นในการทำงานของออสซิลเลเตอร์ได้รับผลกระทบจากคาบของไฟเบอร์ จึงสามารถเลือกโหมดตามยาวได้ผ่านการป้อนกลับแบบกระจายของตะแกรง ตัวสะท้อนเสียงเลเซอร์ของเลเซอร์ DBR มักจะถูกสร้างขึ้นโดยตะแกรงไฟเบอร์ Bragg คู่หนึ่ง และโหมดแนวยาวเดี่ยวจะถูกเลือกเป็นหลักโดยใช้แถบแคบและตะแกรงไฟเบอร์สะท้อนแสงต่ำ Bragg อย่างไรก็ตาม เนื่องจากตัวสะท้อนที่ยาว โครงสร้างที่ซับซ้อน และไม่มีกลไกการแบ่งแยกความถี่ที่มีประสิทธิภาพ ช่องรูปวงแหวนจึงมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนโหมด และเป็นเรื่องยากที่จะทำงานอย่างเสถียรในโหมดตามยาวคงที่เป็นเวลานาน

รูปที่ 1 โครงสร้างเชิงเส้นสองแบบทั่วไปของความถี่เดียวไฟเบอร์เลเซอร์