Definisi linewidth dalam laser

Laser laser, terutamanya laser frekuensi tunggal, merujuk kepada lebar spektrumnya (biasanya lebar penuh pada separuh maksimum, FWHM). Lebih tepat lagi, ia adalah lebar ketumpatan spektrum kuasa medan elektrik yang dipancarkan, dinyatakan dari segi kekerapan, gelombang, atau panjang gelombang. Linewidth laser berkait rapat dengan koheren temporal dan dicirikan oleh masa koheren dan panjang koheren. Jika fasa mengalami peralihan yang tidak terkawal, bunyi fasa menyumbang kepada linewidth; Ini berlaku dengan pengayun percuma. (Perubahan fasa yang terhad kepada selang fasa yang sangat kecil menghasilkan linewidth sifar dan beberapa sidebands bunyi.) Pergeseran dalam panjang rongga resonan juga menyumbang kepada linewidth dan menjadikannya bergantung pada masa pengukuran. Ini menunjukkan bahawa linewidth sahaja, atau bahkan bentuk spektrum yang diingini (lineform), tidak dapat memberikan maklumat penuh tentang spektrum laser.

Ii. Pengukuran Laser Linewidth

Banyak teknik boleh digunakan untuk mengukur linewidth laser:

1. Apabila linewidth agak besar (> 10 GHz, apabila pelbagai mod berayun dalam pelbagai rongga resonan laser), ia boleh diukur dengan menggunakan spektrometer tradisional yang menggunakan grating difraksi. Walau bagaimanapun, sukar untuk mendapatkan resolusi frekuensi tinggi menggunakan kaedah ini.

2. Kaedah lain ialah menggunakan diskriminator frekuensi untuk menukar turun naik kekerapan ke dalam turun naik intensiti. Diskriminator boleh menjadi interferometer yang tidak seimbang atau rongga rujukan ketepatan tinggi. Kaedah pengukuran ini juga mempunyai resolusi terhad.

3. Laser frekuensi tunggal biasanya menggunakan kaedah heterodyne diri, yang merekodkan pukulan antara output laser dan kekerapannya sendiri selepas mengimbangi dan kelewatan.

Dalam beberapa kes, beamwidth yang sangat sempit dari sumber laser tidak perlu:

5. Resolusi yang sangat tinggi dapat dicapai dengan merakam rentak dua laser bebas, di mana bunyi laser rujukan jauh lebih rendah daripada laser ujian, atau spesifikasi prestasi mereka adalah serupa. Gelung terkunci fasa atau pengiraan perbezaan frekuensi seketika berdasarkan rekod matematik boleh digunakan. Kaedah ini sangat mudah dan stabil, tetapi memerlukan laser lain (beroperasi berhampiran kekerapan laser ujian). Jika linewidth yang diukur memerlukan pelbagai spektrum yang luas, sikat kekerapan sangat mudah.

Pengukuran kekerapan optik sering memerlukan rujukan kekerapan (atau masa) tertentu pada satu ketika. Untuk laser sempit-linewidth, hanya satu rasuk rujukan diperlukan untuk memberikan rujukan yang cukup tepat. Teknik heterodyne diri mendapatkan rujukan kekerapan dengan menggunakan kelewatan yang cukup lama untuk persediaan ujian itu sendiri, dengan idealnya mengelakkan koheren temporal antara rasuk awal dan rasuk yang ditangguhkan sendiri. Oleh itu, serat optik panjang biasanya digunakan. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh turun naik yang stabil dan kesan akustik, serat panjang memperkenalkan bunyi fasa tambahan.

Apabila bunyi kekerapan 1/f hadir, linewidth sahaja tidak dapat menggambarkan sepenuhnya ralat fasa. Pendekatan yang lebih baik adalah untuk mengukur spektrum Fourier fasa atau turun naik frekuensi serta -merta dan kemudian mencirikannya menggunakan ketumpatan spektrum kuasa; Petunjuk prestasi bunyi boleh dirujuk. Bunyi 1/f (atau spektrum bunyi bising frekuensi rendah yang lain) boleh menyebabkan beberapa masalah pengukuran.

Iii. Meminimumkan linewidth laser

Laser linewidth secara langsung berkaitan dengan jenis laser. Ia boleh diminimumkan dengan mengoptimumkan reka bentuk laser dan menekan pengaruh bunyi luaran. Langkah pertama adalah untuk menentukan sama ada bunyi kuantum atau bunyi klasik dominan, kerana ini akan menjejaskan pengukuran berikutnya.

Apabila kuasa intrakaviti tinggi, kehilangan rongga resonan adalah rendah, dan masa perjalanan rongga resonan adalah panjang, bunyi kuantum (terutamanya bunyi pelepasan spontan) laser mempunyai kesan yang kecil. Kebisingan klasik boleh disebabkan oleh turun naik mekanikal, yang boleh dikurangkan dengan menggunakan resonator laser pendek yang padat. Walau bagaimanapun, turun naik panjang kadang -kadang mempunyai kesan yang lebih kuat dalam resonator yang lebih pendek. Reka bentuk mekanikal yang betul boleh mengurangkan gandingan antara resonator laser dan radiasi luaran, dan juga meminimumkan kesan drift terma. Perubahan turun naik juga wujud dalam medium keuntungan, yang disebabkan oleh turun naik kuasa pam. Untuk prestasi bunyi yang lebih baik, peranti penstabilan aktif yang lain diperlukan, tetapi pada mulanya, kaedah pasif praktikal adalah lebih baik. Larewidths laser dan laser gentian pepejal tunggal frekuensi berada dalam julat 1-2 Hz, kadang-kadang di bawah 1 kHz. Kaedah penstabilan aktif boleh mencapai linewidths di bawah 1 kHz. Linewidths diod laser biasanya dalam julat MHz, tetapi boleh dikurangkan kepada KHz, contohnya, dalam laser diod rongga luaran, terutama mereka yang mempunyai maklum balas optik dan rongga rujukan ketepatan tinggi.

Iv. Masalah yang timbul dari linewidths sempit

Dalam beberapa kes, beamwidth yang sangat sempit dari sumber laser tidak perlu:

1. Apabila panjang koheren adalah panjang, kesan koheren (disebabkan oleh refleksi parasit yang lemah) boleh memesongkan bentuk rasuk. 1. Dalam paparan unjuran laser, kesan speckle boleh mengganggu kualiti permukaan.

2. Apabila cahaya menyebarkan dalam gentian optik aktif atau pasif, linewidths sempit boleh menyebabkan masalah disebabkan oleh penyebaran brillouin yang dirangsang. Dalam kes sedemikian, adalah perlu untuk meningkatkan linewidth, contohnya, dengan cepat memancarkan kekerapan sementara diod laser atau modulator optik menggunakan modulasi semasa. Linewidth juga digunakan untuk menggambarkan lebar peralihan optik (mis., Peralihan laser atau beberapa ciri penyerapan). Dalam peralihan atom tunggal atau ion pegun, linewidth berkaitan dengan jangka hayat keadaan tenaga atas (lebih tepatnya, seumur hidup antara keadaan tenaga atas dan bawah), dan dipanggil linewidth semulajadi. Usul (lihat Doppler memperluas) atau interaksi atom atau ion dapat meluaskan linewidth, seperti tekanan yang meluaskan dalam gas atau interaksi phonon dalam media pepejal. Sekiranya atom atau ion yang berbeza terjejas secara berbeza, pelebaran tidak seragam boleh berlaku.