อะไรคือเลเซอร์เส้นแคบ?
เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ คำว่า "ความกว้างของเส้นสเปกตรัม" หมายถึงความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์เลเซอร์ในโดเมนความถี่ ซึ่งโดยทั่วไปจะวัดในรูปของความกว้างเต็มที่ครึ่งยอดของสเปกตรัม (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
เลเซอร์แบบกระจายฟีดแบ็ก (DFB Laser) และเลเซอร์แบบกระจายการสะท้อนแบร็ก (DBR Laser) เป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบป้อนกลับทางแสงภายในทั่วไปสองแบบ เนื่องจากระยะห่างของตะแกรงเล็กและมีความสามารถในการเลือกความยาวคลื่นที่ดี จึงสามารถสร้างเอาต์พุตความถี่เดียวที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบได้อย่างเสถียร ความแตกต่างหลักระหว่างโครงสร้างทั้งสองคือตำแหน่งของตะแกรง: โครงสร้างเลเซอร์ 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 โดยปกติแล้วเลเซอร์ใยแก้วความถี่เดี่ยวสามารถแบ่งได้ตามโครงสร้างของตัวเรโซเนเตอร์เป็นแบบ DFB, แบบ DBR และแบบวงแหวน ซึ่งหลักการทำงานของเลเซอร์ใยแก้วความถี่เดี่ยวแบบ DFB และ DBR นั้นคล้ายคลึงกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบ DFB และ DBR
ในปี 1960 เลเซอร์ทับทิมเครื่องแรกของโลกเป็นเลเซอร์โซลิดสเตท ซึ่งมีลักษณะเด่นคือพลังงานเอาต์พุตสูงและช่วงความยาวคลื่นกว้าง โครงสร้างเชิงพื้นที่ที่เป็นเอกลักษณ์ของเลเซอร์โซลิดสเตททำให้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการออกแบบเอาต์พุตที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ ปัจจุบัน วิธีการหลักที่นำมาใช้ ได้แก่ วิธีโพรงสั้น วิธีโพรงวงแหวนทางเดียว วิธีมาตรฐานภายในโพรง วิธีโพรงโหมดลูกตุ้มบิด วิธีการใช้เกรตติ้งแบร็กปริมาตร และวิธีการฉีดเมล็ดพันธุ์
วันที่เผยแพร่: 3 มิถุนายน 2568