Laser Lebar Garis Sempit

Sesetengah aplikasi laser memerlukan laser mempunyai lebar garis yang sangat sempit, iaitu spektrum yang sempit. Laser lebar garis sempit merujuk kepada laser frekuensi tunggal, iaitu, terdapat mod rongga resonan dalam nilai laser, dan bunyi fasa adalah sangat rendah, jadi ketulenan spektrum adalah sangat tinggi. Biasanya laser sedemikian mempunyai bunyi intensiti yang sangat rendah.

Jenis laser lebar garis sempit yang paling penting adalah seperti berikut:

1. Laser semikonduktor, diod laser maklum balas teragih (laser DFB) dan laser pantulan Bragg teragih (laser DBR), paling biasa digunakan di rantau 1500 atau 1000nm. Parameter pengendalian biasa ialah kuasa keluaran berpuluh-puluh miliwatt (kadangkala lebih besar daripada 100 miliwatt) dan lebar talian beberapa MHz.

2. Lebar garisan yang lebih sempit boleh diperolehi dengan laser semikonduktor, contohnya dengan memanjangkan resonator dengan gentian mod tunggal yang mengandungi gentian jalur sempit parut Bragg, atau dengan menggunakan laser diod rongga luaran. Menggunakan kaedah ini, lebar talian ultra-sempit beberapa kHz atau kurang daripada 1kHz boleh dicapai.

3. Laser gentian maklum balas teragih kecil (resonator diperbuat daripada kisi Bragg gentian khas) boleh menjana kuasa keluaran berpuluh-puluh miliwatt dengan lebar talian dalam julat kHz.

4. Laser badan keadaan pepejal yang dipam diod dengan resonator gelang bukan satah juga boleh memperoleh lebar talian beberapa kHz, manakala kuasa keluarannya agak tinggi, mengikut urutan 1W. Walaupun panjang gelombang biasa ialah 1064nm, kawasan panjang gelombang lain seperti 1300 atau 1500nm juga mungkin.

Faktor utama yang mempengaruhi lebar garis sempit laser

Untuk mencapai laser dengan lebar jalur sinaran yang sangat sempit (lebar garis), faktor berikut perlu dipertimbangkan dalam reka bentuk laser:

Pertama, operasi frekuensi tunggal perlu dicapai. Ini mudah dicapai dengan menggunakan medium keuntungan dengan lebar jalur keuntungan kecil dan rongga laser pendek (menghasilkan julat spektrum bebas yang besar). Matlamatnya mestilah operasi frekuensi tunggal stabil jangka panjang tanpa mod melompat.

Kedua, pengaruh bunyi luaran perlu diminimumkan. Ini memerlukan persediaan resonator yang stabil (monokrom), atau perlindungan khas terhadap getaran mekanikal. Laser yang dipam secara elektrik perlu menggunakan sumber arus atau voltan bunyi rendah, manakala laser yang dipam secara optik perlu mempunyai bunyi intensiti rendah sebagai sumber cahaya pam. Selain itu, semua gelombang cahaya maklum balas perlu dielakkan, contohnya dengan menggunakan pengasing Faraday. Secara teori, bunyi luaran mempunyai pengaruh yang kurang daripada bunyi dalaman, seperti pelepasan spontan dalam medium keuntungan. Ini mudah dicapai apabila frekuensi hingar tinggi, tetapi apabila frekuensi hingar rendah kesan pada lebar talian adalah yang paling penting.

Ketiga, reka bentuk laser perlu dioptimumkan untuk meminimumkan hingar laser, terutamanya bunyi fasa. Kuasa dalam rongga tinggi dan resonator panjang lebih disukai, walaupun operasi frekuensi tunggal yang stabil lebih sukar dicapai dalam kes ini.

Pengoptimuman sistem memerlukan pemahaman tentang kepentingan sumber hingar yang berbeza, kerana ukuran berbeza diperlukan bergantung pada sumber hingar yang dominan. Sebagai contoh, lebar garisan yang diminimumkan mengikut persamaan Schawlow-Townes tidak semestinya meminimumkan lebar talian sebenar jika lebar talian sebenar ditentukan oleh bunyi mekanikal.

Ciri Bunyi dan Spesifikasi Prestasi.

Kedua-dua ciri hingar dan metrik prestasi laser lebar talian sempit adalah isu remeh. Teknik pengukuran yang berbeza dibincangkan dalam entri Linewidth, terutamanya linewidth beberapa kHz atau kurang adalah menuntut. Di samping itu, hanya mengambil kira nilai lebar talian tidak boleh memberikan semua ciri bunyi; adalah perlu untuk memberikan spektrum hingar fasa lengkap, serta maklumat hingar intensiti relatif. Nilai lebar garisan perlu digabungkan dengan sekurang-kurangnya masa pengukuran atau maklumat lain yang mengambil kira hanyutan frekuensi jangka panjang.

Sudah tentu, aplikasi yang berbeza mempunyai keperluan yang berbeza, dan tahap indeks prestasi hingar yang perlu dipertimbangkan dalam situasi sebenar yang berbeza.

Aplikasi Laser Lebar Garis Sempit

1. Aplikasi yang sangat penting adalah dalam bidang penderiaan, seperti penderia gentian optik tekanan atau suhu, pelbagai penderiaan interferometer, menggunakan LIDAR penyerapan yang berbeza untuk mengesan dan menjejak gas, dan menggunakan Doppler LIDAR untuk mengukur kelajuan angin. Sesetengah penderia gentian optik memerlukan lebar talian laser beberapa kHz, manakala dalam pengukuran LIDAT, lebar talian 100kHz adalah mencukupi.

2. Pengukuran frekuensi optik memerlukan lebar talian sumber yang sangat sempit, yang memerlukan teknik penstabilan untuk dicapai.

3. Sistem komunikasi gentian optik mempunyai keperluan yang agak longgar pada lebar talian, dan digunakan terutamanya untuk pemancar atau untuk pengesanan atau pengukuran.