วันนี้ เราจะมาแนะนำเลเซอร์แบบ “โมโนโครมาติก” ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบเป็นพิเศษ การเกิดขึ้นของเลเซอร์ชนิดนี้ช่วยเติมเต็มช่องว่างในหลายสาขาการประยุกต์ใช้เลเซอร์ และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้มีการนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วง, LiDAR, การตรวจวัดแบบกระจาย, การสื่อสารด้วยแสงแบบโคherent ความเร็วสูง และสาขาอื่นๆ ซึ่งเป็น “ภารกิจ” ที่ไม่สามารถสำเร็จได้ด้วยการเพิ่มกำลังของเลเซอร์เพียงอย่างเดียว
เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบคืออะไร?
คำว่า “ความกว้างของเส้นสเปกตรัม” หมายถึงความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ในโดเมนความถี่ ซึ่งโดยทั่วไปจะวัดในรูปของความกว้างเต็มที่ครึ่งหนึ่งของยอดสเปกตรัม (FWHM) ความกว้างของเส้นสเปกตรัมได้รับผลกระทบหลักๆ จากการแผ่รังสีแบบธรรมชาติของอะตอมหรือไอออนที่ถูกกระตุ้น สัญญาณรบกวนเฟส การสั่นสะเทือนทางกลของตัวเรโซเนเตอร์ การผันผวนของอุณหภูมิ และปัจจัยภายนอกอื่นๆ ยิ่งค่าความกว้างของเส้นสเปกตรัมน้อยลงเท่าใด ความบริสุทธิ์ของสเปกตรัมก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น นั่นคือ ความเป็นเอกรงค์ของเลเซอร์ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น เลเซอร์ที่มีคุณลักษณะเช่นนี้มักจะมีสัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่น้อยมาก และมีสัญญาณรบกวนความเข้มสัมพัทธ์น้อยมาก ในขณะเดียวกัน ยิ่งค่าความกว้างเชิงเส้นของเลเซอร์น้อยลงเท่าใด ความสอดคล้องที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น ซึ่งแสดงออกมาในรูปของความยาวความสอดคล้องที่ยาวมาก
การสร้างและการประยุกต์ใช้เลเซอร์ที่มีความกว้างเส้นสเปกตรัมแคบ
เนื่องจากข้อจำกัดของความกว้างของเส้นสเปกตรัมการขยายสัญญาณโดยธรรมชาติของสารทำงานของเลเซอร์ ทำให้แทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะสร้างเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบโดยตรงโดยอาศัยออสซิลเลเตอร์แบบดั้งเดิม เพื่อให้ได้เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ จำเป็นต้องใช้ตัวกรอง ตะแกรง และอุปกรณ์อื่นๆ เพื่อจำกัดหรือเลือกโมดูลัสตามแนวยาวในสเปกตรัมการขยายสัญญาณ เพิ่มความแตกต่างของการขยายสัญญาณสุทธิระหว่างโหมดตามแนวยาว เพื่อให้มีการสั่นของโหมดตามแนวยาวเพียงไม่กี่โหมดหรืออาจมีเพียงโหมดเดียวในเรโซเนเตอร์ของเลเซอร์ ในกระบวนการนี้ มักจำเป็นต้องควบคุมผลกระทบของสัญญาณรบกวนต่อเอาต์พุตของเลเซอร์ และลดการขยายตัวของเส้นสเปกตรัมที่เกิดจากการสั่นสะเทือนและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมภายนอก ในขณะเดียวกัน ยังสามารถรวมกับการวิเคราะห์ความหนาแน่นของสเปกตรัมของสัญญาณรบกวนเฟสหรือความถี่เพื่อทำความเข้าใจแหล่งที่มาของสัญญาณรบกวนและเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบของเลเซอร์ เพื่อให้ได้เอาต์พุตของเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบที่เสถียร
เรามาดูกันถึงการทำให้เลเซอร์ประเภทต่างๆ ทำงานด้วยความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่แคบลง
เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีข้อดีคือ ขนาดกะทัดรัด ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ
ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงแบบ Fabry-Perot (FP) ที่ใช้ในแบบดั้งเดิมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปจะเกิดการสั่นในโหมดหลายแนวยาว และความกว้างของเส้นเอาต์พุตค่อนข้างกว้าง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มการป้อนกลับทางแสงเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นแคบลง
เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบป้อนกลับทางแสงภายในสองแบบที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ เลเซอร์แบบป้อนกลับทางแสงภายในแบบกระจาย (Distributed Feedback: DFB) และเลเซอร์แบบสะท้อนแบร็กแบบกระจาย (Distributed Bragg Reflection: DBR) เนื่องจากระยะห่างของตะแกรงมีขนาดเล็กและมีความสามารถในการเลือกความยาวคลื่นที่ดี จึงสามารถสร้างเอาต์พุตความถี่เดียวที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบได้อย่างเสถียร ความแตกต่างหลักระหว่างโครงสร้างทั้งสองคือตำแหน่งของตะแกรง: โครงสร้าง DFB มักจะกระจายโครงสร้างแบบเป็นคาบของตะแกรงแบร็กไปทั่วทั้งตัวเรโซเนเตอร์ ในขณะที่ตัวเรโซเนเตอร์ของ DBR มักประกอบด้วยโครงสร้างตะแกรงสะท้อนและบริเวณขยายสัญญาณที่รวมอยู่ในพื้นผิวด้านปลาย นอกจากนี้ เลเซอร์ DFB ใช้ตะแกรงแบบฝังที่มีความแตกต่างของดัชนีหักเหต่ำและการสะท้อนต่ำ ในขณะที่เลเซอร์ DBR ใช้ตะแกรงบนพื้นผิวที่มีความแตกต่างของดัชนีหักเหสูงและการสะท้อนสูง โครงสร้างทั้งสองมีช่วงสเปกตรัมอิสระขนาดใหญ่และสามารถปรับความยาวคลื่นได้โดยไม่มีการกระโดดของโหมดในช่วงไม่กี่นาโนเมตร โดยที่เลเซอร์ DBR มีช่วงการปรับที่กว้างกว่าเลเซอร์ DFBเลเซอร์ DFBนอกจากนี้ เทคโนโลยีการป้อนกลับทางแสงแบบโพรงภายนอก ซึ่งใช้องค์ประกอบทางแสงภายนอกในการป้อนกลับแสงที่ออกมาจากชิปเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเลือกความถี่ ยังสามารถทำให้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทำงานด้วยความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่แคบได้อีกด้วย
(2) เลเซอร์ไฟเบอร์
เลเซอร์ใยแก้วมีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานสูง คุณภาพลำแสงดี และประสิทธิภาพการเชื่อมต่อสูง ซึ่งเป็นหัวข้อวิจัยที่ได้รับความสนใจอย่างมากในสาขาเลเซอร์ ในบริบทของยุคข้อมูลข่าวสาร เลเซอร์ใยแก้วมีความเข้ากันได้ดีกับระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบัน เลเซอร์ใยแก้วความถี่เดียวที่มีข้อดีคือความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ เสียงรบกวนต่ำ และความสอดคล้องที่ดี ได้กลายเป็นหนึ่งในทิศทางการพัฒนาที่สำคัญ
การทำงานในโหมดตามยาวเดี่ยวเป็นหัวใจสำคัญของเลเซอร์ใยแก้วเพื่อให้ได้เอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ โดยปกติแล้วเลเซอร์ใยแก้วความถี่เดี่ยวสามารถแบ่งตามโครงสร้างของตัวเรโซเนเตอร์ได้เป็นแบบ DFB, แบบ DBR และแบบวงแหวน ซึ่งหลักการทำงานของเลเซอร์ใยแก้วความถี่เดี่ยวแบบ DFB และ DBR นั้นคล้ายคลึงกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบ DFB และ DBR
ดังแสดงในรูปที่ 1 เลเซอร์ไฟเบอร์ DFB คือการสร้างแผ่นกระจายแบร็ก (Distributed Bragg Grating) ลงในไฟเบอร์ เนื่องจากความยาวคลื่นในการทำงานของออสซิลเลเตอร์ได้รับผลกระทบจากคาบของไฟเบอร์ จึงสามารถเลือกโหมดตามยาวได้ผ่านการป้อนกลับแบบกระจายของแผ่นกระจายแบร็ก ตัวเรโซเนเตอร์ของเลเซอร์ DBR มักจะประกอบด้วยแผ่นกระจายแบร็กไฟเบอร์สองแผ่น และโหมดตามยาวเดี่ยวจะถูกเลือกโดยแผ่นกระจายแบร็กไฟเบอร์ที่มีแถบความถี่แคบและการสะท้อนต่ำเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากตัวเรโซเนเตอร์ที่ยาว โครงสร้างที่ซับซ้อน และขาดกลไกการแยกความถี่ที่มีประสิทธิภาพ โพรงรูปวงแหวนจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดการกระโดดของโหมด และยากที่จะทำงานได้อย่างเสถียรในโหมดตามยาวคงที่ในระยะเวลานาน
รูปที่ 1 โครงสร้างเชิงเส้นทั่วไปสองแบบของความถี่เดียวเลเซอร์ไฟเบอร์
วันที่โพสต์: 27 พฤศจิกายน 2023