เทคโนโลยีเลเซอร์ linewidth แคบส่วนที่หนึ่ง

วันนี้เราจะแนะนำเลเซอร์“ โมโนโครม” ไปยังเลเซอร์ที่แคบ - แคบ การเกิดขึ้นของมันเติมเต็มช่องว่างในหลาย ๆ แอปพลิเคชันของเลเซอร์และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง, LiDAR, การตรวจจับแบบกระจาย, การสื่อสารทางแสงที่สอดคล้องกันความเร็วสูงและสาขาอื่น ๆ ซึ่งเป็น "ภารกิจ" ที่ไม่สามารถทำได้โดยการปรับปรุงพลังงานเลเซอร์เท่านั้น

เลเซอร์ linewidth แคบคืออะไร?

คำว่า "ความกว้างของสาย" หมายถึงความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ในโดเมนความถี่ซึ่งมักจะหาปริมาณในแง่ของความกว้างเต็มครึ่งยอดของสเปกตรัม (FWHM) linewidth ส่วนใหญ่ได้รับผลกระทบจากการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองของอะตอมหรือไอออนที่เกิดขึ้นเองเสียงรบกวนเฟสการสั่นสะเทือนเชิงกลของ resonator, อุณหภูมิกระวนกระวายใจและปัจจัยภายนอกอื่น ๆ ค่าความกว้างของเส้นที่เล็กลงยิ่งความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมก็ยิ่งสูงเท่าใดก็ยิ่งดีขึ้นเท่านั้นความเป็นโมโนโครมของเลเซอร์ เลเซอร์ที่มีลักษณะดังกล่าวมักจะมีเสียงรบกวนน้อยมากหรือเสียงความถี่และเสียงรบกวนความเข้มสัมพัทธ์น้อยมาก ในเวลาเดียวกันค่าความกว้างเชิงเส้นที่เล็กกว่าของเลเซอร์ยิ่งมีความเชื่อมโยงกันที่สอดคล้องกันมากขึ้น

การรับรู้และการประยุกต์ใช้เลเซอร์ linewidth แคบ

ถูก จำกัด ด้วยการได้รับ linewidth โดยธรรมชาติของสารทำงานของเลเซอร์มันแทบจะเป็นไปไม่ได้ที่จะตระหนักถึงเอาท์พุทของเลเซอร์ linewidth แคบ ๆ โดยตรงโดยอาศัยออสซิลเลเตอร์แบบดั้งเดิม เพื่อที่จะตระหนักถึงการทำงานของเลเซอร์ linewidth แคบ ๆ มักจะจำเป็นต้องใช้ตัวกรองตะแกรงและอุปกรณ์อื่น ๆ เพื่อ จำกัด หรือเลือกโมดูลัสตามยาวในสเปกตรัมรับเพิ่มความแตกต่างของกำไรสุทธิระหว่างโหมดตามยาว ในกระบวนการนี้มักจะจำเป็นต้องควบคุมอิทธิพลของเสียงรบกวนต่อเอาต์พุตเลเซอร์และลดการขยายขอบเขตของสเปกตรัมที่เกิดจากการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมภายนอก ในขณะเดียวกันก็สามารถรวมกับการวิเคราะห์ความหนาแน่นสเปกตรัมเฟสหรือความถี่เสียงรบกวนเพื่อทำความเข้าใจแหล่งที่มาของเสียงรบกวนและเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบของเลเซอร์เพื่อให้ได้เอาต์พุตที่เสถียรของเลเซอร์ linewidth แคบ

ลองมาดูการตระหนักถึงการทำงานของ linewidth ที่แคบของเลเซอร์หลายประเภทที่แตกต่างกัน

(1)เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อดีของขนาดกะทัดรัดประสิทธิภาพสูงชีวิตที่ยาวนานและผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

Resonator ออปติคัล Fabry-Perot (FP) ที่ใช้ในแบบดั้งเดิมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปแล้วแกว่งในโหมดหลาย longitudinal และความกว้างของสายเอาต์พุตค่อนข้างกว้างดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มการตอบรับทางแสงเพื่อให้ได้เอาต์พุตของความกว้างของเส้นแคบ

ข้อเสนอแนะแบบกระจาย (DFB) และการสะท้อนกลับ Bragg แบบกระจาย (DBR) เป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบออพติคอลแบบออพติคอลโดยทั่วไป เนื่องจากสนามตะแกรงขนาดเล็กและการเลือกความยาวคลื่นที่ดีจึงเป็นเรื่องง่ายที่จะได้รับเอาต์พุต linewidth แคบเดียวที่มีเสถียรภาพ ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างโครงสร้างทั้งสองคือตำแหน่งของตะแกรง: โครงสร้าง DFB มักจะกระจายโครงสร้างเป็นระยะของตะแกรง Bragg ตลอดทั้งตัวสะท้อนแสงและ resonator ของ DBR มักจะประกอบด้วยโครงสร้างตะแกรงสะท้อนกลับ นอกจากนี้เลเซอร์ DFB ยังใช้ความพึงพอใจในการฝังตัวที่มีความคมชัดดัชนีการหักเหของแสงต่ำและการสะท้อนแสงต่ำ เลเซอร์ DBR ใช้ความพึงพอใจพื้นผิวที่มีความคมชัดดัชนีการหักเหของแสงสูงและการสะท้อนแสงสูง โครงสร้างทั้งสองมีช่วงสเปกตรัมฟรีขนาดใหญ่และสามารถทำการปรับความยาวคลื่นได้โดยไม่ต้องกระโดดโหมดในช่วงนาโนเมตรไม่กี่ตัวโดยที่เลเซอร์ DBR มีช่วงการปรับจูนกว้างกว่าเลเซอร์ DFB- นอกจากนี้เทคโนโลยีการตอบรับทางแสงของโพรงภายนอกซึ่งใช้องค์ประกอบแสงภายนอกเพื่อตอบกลับแสงขาออกของชิปเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเลือกความถี่สามารถตระหนักถึงการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

(2) เลเซอร์ไฟเบอร์

เลเซอร์ไฟเบอร์มีประสิทธิภาพการแปลงปั๊มสูงคุณภาพของลำแสงที่ดีและประสิทธิภาพการมีเพศสัมพันธ์สูงซึ่งเป็นหัวข้อการวิจัยที่ร้อนแรงในสนามเลเซอร์ ในบริบทของอายุข้อมูลเลเซอร์ไฟเบอร์มีความเข้ากันได้ดีกับระบบการสื่อสารเส้นใยออพติคอลปัจจุบันในตลาด เลเซอร์เส้นใยความถี่เดียวที่มีข้อดีของความกว้างของเส้นแคบเสียงรบกวนต่ำและการเชื่อมโยงกันที่ดีได้กลายเป็นหนึ่งในทิศทางที่สำคัญของการพัฒนา

การทำงานของโหมดตามยาวเดี่ยวเป็นแกนกลางของเลเซอร์ไฟเบอร์เพื่อให้ได้เอาต์พุตความกว้างของเส้นแคบ ๆ โดยปกติจะเป็นไปตามโครงสร้างของ resonator ของเลเซอร์ไฟเบอร์ความถี่เดียวสามารถแบ่งออกเป็นประเภท DFB ประเภท DBR และประเภทแหวน ในหมู่พวกเขาหลักการทำงานของเลเซอร์เส้นใยความถี่เดี่ยว DFB และ DBR นั้นคล้ายคลึงกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ DFB และ DBR

ดังที่แสดงในรูปที่ 1 เลเซอร์เส้นใย DFB คือการเขียนตะแกรง Bragg แบบกระจายลงในเส้นใย เนื่องจากความยาวคลื่นการทำงานของออสซิลเลเตอร์ได้รับผลกระทบจากระยะเวลาของเส้นใยโหมดยาวจึงสามารถเลือกได้ผ่านข้อเสนอแนะแบบกระจายของตะแกรง เลเซอร์ resonator ของ DBR Laser มักเกิดขึ้นโดยคู่ของ Fiber Bragg Fratings และโหมดยาวเดี่ยวส่วนใหญ่จะถูกเลือกโดยแถบแคบและการสะท้อนกลับต่ำ อย่างไรก็ตามเนื่องจากมีการสะท้อนแสงที่ยาวนานโครงสร้างที่ซับซ้อนและการขาดกลไกการเลือกปฏิบัติที่มีประสิทธิภาพโพรงรูปวงแหวนมีแนวโน้มที่จะกระโดดโหมดและยากที่จะทำงานอย่างเสถียรในโหมดยาวคงที่เป็นเวลานาน

รูปที่ 1 สองโครงสร้างเชิงเส้นทั่วไปของความถี่เดียวเลเซอร์ไฟเบอร์