Viivanleveyden määritelmä lasereissa

Laserin, erityisesti yksitaajuisen laserin, viivanleveys viittaa sen spektrin leveyteen (yleensä täysi leveys puolimaksimissa, FWHM). Tarkemmin sanottuna se on säteilevän sähkökentän tehon spektritiheyden leveys ilmaistuna taajuudella, aaltoluvulla tai aallonpituudella. Laserin viivanleveys liittyy läheisesti ajalliseen koherenssiin ja sille on tunnusomaista koherenssiaika ja koherenssipituus. Jos vaiheessa tapahtuu rajaton siirtymä, vaihekohina vaikuttaa linjan leveyteen; näin on vapaiden oskillaattorien kohdalla. (Hyvin pieneen vaiheväliin rajoittuvat vaihevaihtelut tuottavat nollaviivan leveyden ja joitain kohinasivukaistoja.) Myös resonanssiontelon pituuden siirtymät vaikuttavat linjan leveyteen ja tekevät sen riippuvaiseksi mittausajasta. Tämä osoittaa, että pelkkä viivanleveys tai edes haluttu spektrimuoto (viivamuoto) ei voi tarjota täyttä tietoa laserspektristä.

II. Laserlinjan leveyden mittaus

Laserviivanleveyden mittaamiseen voidaan käyttää monia tekniikoita:

1. Kun viivanleveys on suhteellisen suuri (>10 GHz, kun useat tilat värähtelevät useissa laserresonanssionteloissa), se voidaan mitata käyttämällä perinteistä spektrometriä, jossa käytetään diffraktiohilaa. Korkean taajuuden resoluution saaminen tällä menetelmällä on kuitenkin vaikeaa.

2. Toinen tapa on käyttää taajuusdiskriminaattoria taajuuden vaihteluiden muuttamiseksi intensiteetin vaihteluiksi. Diskriminaattori voi olla epäsymmetrinen interferometri tai erittäin tarkka referenssiontelo. Tällä mittausmenetelmällä on myös rajoitettu resoluutio.

3. Yksitaajuisissa lasereissa käytetään tyypillisesti self-heterodyne-menetelmää, joka tallentaa sykkeen laserlähdön ja oman taajuutensa välillä offsetin ja viiveen jälkeen.

4. Useiden satojen hertsien linjaleveyksillä perinteiset itseheterodyne-tekniikat ovat epäkäytännöllisiä, koska ne vaativat suuren viivepituuden. Tämän pituuden pidentämiseen voidaan käyttää syklistä kuitusilmukkaa ja sisäänrakennettua kuituvahvistinta.

5. Erittäin korkea resoluutio voidaan saavuttaa tallentamalla kahden itsenäisen laserin lyöntejä, joissa vertailulaserin kohina on paljon pienempi kuin testilaserin tai niiden suorituskykyvaatimukset ovat samanlaiset. Voidaan käyttää vaihelukittua silmukkaa tai hetkellisen taajuuseron laskentaa matemaattisten tietueiden perusteella. Tämä menetelmä on hyvin yksinkertainen ja vakaa, mutta vaatii toisen laserin (joka toimii lähellä testilaserin taajuutta). Jos mitattu viivanleveys vaatii laajan spektrialueen, taajuuskampa on erittäin kätevä.

Optiset taajuusmittaukset vaativat usein tietyn taajuuden (tai aika) referenssin jossain vaiheessa. Kapean viivanleveyden lasereissa tarvitaan vain yksi vertailusäde riittävän tarkan vertailun aikaansaamiseksi. Itseheterodyne-tekniikat saavat taajuusreferenssin soveltamalla riittävän pitkää aikaviivettä itse testikokoonpanoon, mikä ihannetapauksessa välttää ajallisen koherenssin alkuperäisen säteen ja sen oman viivästetyn säteen välillä. Siksi tyypillisesti käytetään pitkiä optisia kuituja. Kuitenkin vakaiden heilahtelujen ja akustisten vaikutusten vuoksi pitkät kuidut aiheuttavat ylimääräistä vaihekohinaa.

Kun 1/f-taajuudella on kohinaa, linjanleveys ei yksinään voi täysin kuvata vaihevirhettä. Parempi lähestymistapa on mitata vaiheen tai hetkellisten taajuusvaihteluiden Fourier-spektri ja karakterisoida se sitten tehospektritiheyden avulla; melun suorituskyvyn indikaattoreita voidaan viitata. 1/f-kohina (tai muun matalataajuisen kohinan kohinaspektri) voi aiheuttaa mittausongelmia.

III. Laserlinjan leveyden minimoiminen

Laserin viivanleveys liittyy suoraan laserin tyyppiin. Se voidaan minimoida optimoimalla lasersuunnittelua ja vaimentamalla ulkoisia meluvaikutuksia. Ensimmäinen askel on määrittää, onko kvanttikohina vai klassinen kohina hallitseva, koska tämä vaikuttaa myöhempään mittaukseen.

Kun onkalonsisäinen teho on suuri, resonanssiontelon häviö on pieni ja resonanssiontelon edestakaisen matka-aika on pitkä, laserin kvanttimehinalla (pääasiassa spontaanilla emissiokohinalla) on pieni vaikutus. Klassista kohinaa voivat aiheuttaa mekaaniset heilahtelut, joita voidaan vähentää käyttämällä kompaktia, lyhyttä laserresonaattoria. Pituusvaihteluilla voi kuitenkin joskus olla voimakkaampi vaikutus jopa lyhyemmissä resonaattoreissa. Oikea mekaaninen suunnittelu voi vähentää laserresonaattorin ja ulkoisen säteilyn välistä kytkentää ja myös minimoida lämpövaikutuksia. Vahvistusväliaineessa on myös lämpövaihteluja, jotka johtuvat pumpun tehon vaihteluista. Parempaan melutasoon tarvitaan muita aktiivisia stabilointilaitteita, mutta aluksi käytännölliset passiiviset menetelmät ovat parempia. Yksitaajuisten solid-state-laserien ja kuitulaserien viivanleveydet ovat alueella 1-2 Hz, joskus jopa alle 1 kHz. Aktiivisilla stabilointimenetelmillä voidaan saavuttaa alle 1 kHz:n viivanleveyksiä. Laserdiodien viivanleveydet ovat tyypillisesti MHz:n alueella, mutta ne voidaan pienentää kHz:iin esimerkiksi ulkoisten ontelodiodilasereissa, erityisesti optisella takaisinkytkennällä ja erittäin tarkoilla referenssionteloilla varustetuissa lasereissa.

IV. Kapeasta viivanleveydestä johtuvat ongelmat

Joissakin tapauksissa erittäin kapea säteen leveys laserlähteestä ei ole tarpeen:

1. Kun koherenssin pituus on pitkä, koherenssivaikutukset (johtuen heikoista loisheijastuksista) voivat vääristää säteen muotoa. 1. Laserprojektionäytöissä pilkkuefektit voivat häiritä pinnan laatua.

2. Kun valo etenee aktiivisissa tai passiivisissa optisissa kuiduissa, kapeat viivanleveydet voivat aiheuttaa ongelmia stimuloidun Brillouinin sironnan vuoksi. Tällaisissa tapauksissa on tarpeen kasvattaa viivanleveyttä esimerkiksi ditheroimalla nopeasti laserdiodin tai optisen modulaattorin transienttitaajuutta käyttämällä virtamodulaatiota. Viivanleveyttä käytetään myös kuvaamaan optisten siirtymien leveyttä (esim. lasersiirtymiä tai joitain absorptioominaisuuksia). Kiinteän yksittäisen atomin tai ionin siirtymissä viivanleveys liittyy ylemmän energiatilan (tarkemmin sanottuna ylemmän ja alemman energiatilan väliseen) elinikään, ja sitä kutsutaan luonnolliseksi viivanleveydeksi. Atomien tai ionien liike (katso Doppler-laajeneminen) tai vuorovaikutus voi laajentaa viivanleveyttä, kuten paineen leveneminen kaasuissa tai fononivuorovaikutus kiinteissä väliaineissa. Jos eri atomeihin tai ioneihin vaikuttaa eri tavalla, voi tapahtua epäyhtenäistä laajenemista.