Kapealinjaiset laserit

Jotkut lasersovellukset vaativat laserilta erittäin kapeaa viivanleveyttä eli kapeaa spektriä. Kapea viivanleveys laserit viittaavat yksitaajuisiin lasereihin, eli laserarvossa on resonanssiontelomoodi ja vaihekohina on erittäin alhainen, joten spektrin puhtaus on erittäin korkea. Tyypillisesti tällaisilla lasereilla on erittäin matala intensiteettikohina.

Tärkeimmät kapeaviivanleveyslaserit ovat seuraavat:

1. Puolijohdelasereita, hajautettuja takaisinkytkentälaserdiodeja (DFB-laserit) ja hajautettuja Bragg-heijastuslasereita (DBR-lasereita) käytetään yleisimmin 1500 tai 1000 nm:n alueella. Tyypillisiä toimintaparametreja ovat kymmenien milliwattien lähtöteho (joskus yli 100 milliwattia) ja useiden MHz linjanleveys.

2. Kapeampia viivanleveyksiä voidaan saada puolijohdelasereilla, esimerkiksi laajentamalla resonaattoria yksimuotokuidulla, joka sisältää kapeakaistaisen Bragg-kuituhilan, tai käyttämällä ulkoista kaviteettidiodilaseria. Tällä menetelmällä voidaan saavuttaa usean kHz:n tai jopa alle 1 kHz:n erittäin kapea viivanleveys.

3. Pienet hajautetut kuitulaserit (erikoiskuitu-Bragg-hileistä tehdyt resonaattorit) voivat tuottaa kymmenien milliwattien lähtötehoja linjanleveydillä kHz.

4. Diodipumpatut solid-state-keholaserit, joissa on ei-tasomaiset rengasresonaattorit, voivat saada myös useiden kHz:n linjanleveyden, kun lähtöteho on suhteellisen korkea, luokkaa 1W. Vaikka tyypillinen aallonpituus on 1064 nm, myös muut aallonpituusalueet, kuten 1300 tai 1500 nm, ovat mahdollisia.

Tärkeimmät laserien kapeaan viivanleveyteen vaikuttavat tekijät

Erittäin kapealla säteilykaistanleveydellä (viivaleveydellä) olevan laserin saavuttamiseksi lasersuunnittelussa on otettava huomioon seuraavat tekijät:

Ensinnäkin yksitaajuinen toiminta on saavutettava. Tämä saavutetaan helposti käyttämällä vahvistusvälinettä, jolla on pieni vahvistuskaistanleveys ja lyhyt laserontelo (jolloin saadaan suuri vapaa spektrialue). Tavoitteena tulisi olla pitkäaikainen vakaa yksitaajuustoiminta ilman moodihyppelyä.

Toiseksi ulkoisen melun vaikutus on minimoitava. Tämä vaatii vakaan resonaattoriasetuksen (yksivärinen) tai erityisen suojan mekaanista tärinää vastaan. Sähköisesti pumpattujen lasereiden on käytettävä matalakohinaisia ​​virta- tai jännitelähteitä, kun taas optisesti pumpattujen lasereiden on oltava matalan intensiteetin kohina pumpun valonlähteenä. Lisäksi kaikkia takaisinkytkentävaloaaltoja tulee välttää esimerkiksi Faradayn isolaattoreita käyttämällä. Teoriassa ulkoisella kohinalla on vähemmän vaikutusta kuin sisäisellä melulla, kuten spontaani emissio vahvistusväliaineessa. Tämä on helppo saavuttaa, kun kohinataajuus on korkea, mutta kun kohinataajuus on alhainen, vaikutus viivanleveyteen on tärkein.

Kolmanneksi lasersuunnittelu on optimoitava laserkohinan, erityisesti vaihekohinan, minimoimiseksi. Suuri sisäonteloteho ja pitkät resonaattorit ovat edullisia, vaikka vakaa yksitaajuinen toiminta on tässä tapauksessa vaikeampaa saavuttaa.

Järjestelmän optimointi edellyttää erilaisten melulähteiden tärkeyden ymmärtämistä, sillä vallitsevasta melulähteestä riippuen tarvitaan erilaisia ​​mittauksia. Esimerkiksi Schawlow-Townes-yhtälön mukaan minimoitu viivanleveys ei välttämättä minimoi todellista viivanleveyttä, jos todellinen viivanleveys määräytyy mekaanisen kohinan avulla.

Melun ominaisuudet ja suorituskykyvaatimukset.

Kapean viivanleveyden lasereiden meluominaisuudet ja suorituskykymittarit ovat triviaaleja asioita. Eri mittaustekniikoita käsitellään kohdassa Linewidth, erityisesti muutaman kHz:n tai sitä pienemmät viivanleveydet ovat vaativia. Lisäksi pelkkä viivanleveyden arvo ei voi antaa kaikkia kohinaominaisuuksia; on tarpeen antaa täydellinen vaihekohinaspektri sekä tiedot suhteellisesta intensiteetistä. Viivanleveyden arvoon on yhdistettävä vähintään mittausaika tai muu tieto, joka ottaa huomioon pitkän aikavälin taajuuspoikkeaman.

Tietenkin eri sovelluksilla on erilaiset vaatimukset, ja mitä tasoa kohinan suorituskykyindeksi on otettava huomioon eri todellisissa tilanteissa.

Kapealinjaisten lasereiden sovellukset

1. Erittäin tärkeä sovellus on mittausalalla, kuten paine- tai lämpötilakuituoptiset anturit, erilaiset interferometrimittaukset, eri absorptio LIDAR:in käyttö kaasun havaitsemiseen ja seurantaan sekä Doppler LIDARin käyttö tuulen nopeuden mittaamiseen. Jotkut kuituoptiset anturit vaativat useiden kHz:n laserviivanleveyden, kun taas LIDAT-mittauksissa 100 kHz:n viivanleveys riittää.

2. Optisen taajuuden mittaukset vaativat erittäin kapeita lähdeviivaleveyksiä, joiden saavuttaminen vaatii stabilointitekniikoita.

3. Optisilla kuituviestintäjärjestelmillä on suhteellisen löyhät vaatimukset linjan leveydelle, ja niitä käytetään pääasiassa lähettimiin tai ilmaisuun tai mittaukseen.