Дефиниција ширине линије у ласерима

Ширина линије ласера, посебно ласера ​​са једном фреквенцијом, односи се на ширину његовог спектра (обично пуна ширина на пола максимума, ФВХМ). Тачније, то је ширина спектралне густине снаге зраченог електричног поља, изражена у терминима фреквенције, таласног броја или таласне дужине. Ширина линије ласера ​​је уско повезана са временском кохерентношћу и карактерише је време кохеренције и дужина кохеренције. Ако фаза пролази кроз неограничени помак, фазни шум доприноси ширини линије; то је случај са слободним осцилаторима. (Фазне флуктуације ограничене на веома мали интервал фазе производе нулту ширину линије и неке бочне траке шума.) Померања у дужини резонантне шупљине такође доприносе ширини линије и чине је зависном од времена мерења. Ово указује да сама ширина линије, или чак пожељан спектрални облик (форма линије), не може пружити пуну информацију о спектру ласера.

ИИ. Ласерско мерење ширине линије

Многе технике се могу користити за мерење ширине ласерске линије:

1. Када је ширина линије релативно велика (>10 ГХз, када више модова осцилује у више ласерских резонантних шупљина), може се мерити коришћењем традиционалног спектрометра који користи дифракциону решетку. Међутим, овим методом је тешко добити резолуцију високе фреквенције.

2. Други метод је коришћење фреквентног дискриминатора за претварање флуктуација фреквенције у флуктуације интензитета. Дискриминатор може бити неуравнотежени интерферометар или референтна шупљина високе прецизности. Овај метод мерења такође има ограничену резолуцију.

3. Једнофреквентни ласери обично користе самохетеродинску методу, која бележи откуцаје између ласерског излаза и сопствене фреквенције након офсета и кашњења.

4. За ширине линија од неколико стотина херца, традиционалне самохетеродинске технике су непрактичне јер захтевају велику дужину кашњења. За продужење ове дужине могу се користити циклична влакнаста петља и уграђени појачивач.

5. Веома висока резолуција се може постићи снимањем откуцаја два независна ласера, где је шум референтног ласера ​​много мањи од буке тест ласера, или су њихове карактеристике перформанси сличне. Може се користити фазно закључана петља или израчунавање тренутне фреквентне разлике на основу математичких записа. Овај метод је веома једноставан и стабилан, али захтева још један ласер (који ради близу фреквенције тест ласера). Ако измерена ширина линије захтева широк спектар спектра, фреквентни чешаљ је веома згодан.

Оптичка мерења фреквенције често захтевају одређену фреквенцију (или време) у неком тренутку. За ласере уске ширине, потребан је само један референтни сноп да би се обезбедила довољно тачна референца. Самохетеродинске технике добијају референцу фреквенције применом довољно дугог временског одлагања на саму поставку теста, идеално избегавајући временску кохерентност између почетног снопа и његовог сопственог одложеног снопа. Због тога се обично користе дуга оптичка влакна. Међутим, због стабилних флуктуација и акустичних ефеката, дуга влакна уносе додатни фазни шум.

Када је присутан шум фреквенције 1/ф, сама ширина линије не може у потпуности да опише фазну грешку. Бољи приступ је да се измери Фуријеов спектар фазних или тренутних флуктуација фреквенције, а затим га карактерише коришћењем спектралне густине снаге; могу се референцирати индикатори перформанси буке. 1/ф шум (или спектар шума другог нискофреквентног шума) може изазвати неке проблеме са мерењем.

ИИИ. Минимизирање ласерске ширине линије

Ширина ласерске линије је директно повезана са врстом ласера. Може се минимизирати оптимизацијом ласерског дизајна и сузбијањем спољашњих утицаја буке. Први корак је да се утврди да ли је квантни шум или класични шум доминантан, јер ће то утицати на наредна мерења.

Када је снага унутар шупљине велика, губитак резонантне шупљине је низак, а време повратног пута резонантне шупљине је дуго, квантни шум (углавном шум спонтане емисије) ласера ​​има мали утицај. Класични шум може бити узрокован механичким флуктуацијама, које се могу ублажити употребом компактног, кратког ласерског резонатора. Међутим, флуктуације дужине понекад могу имати јачи ефекат у чак и краћим резонаторима. Одговарајући механички дизајн може смањити спрегу између ласерског резонатора и спољашњег зрачења, а такође минимизира ефекте топлотног дрифта. Термичке флуктуације такође постоје у медијуму за појачавање, узроковане флуктуацијама снаге пумпе. За боље перформансе буке, потребни су други уређаји за активну стабилизацију, али у почетку су пожељније практичне пасивне методе. Ширина линија једнофреквентних ласера ​​у чврстом стању и ласера ​​са влакнима је у опсегу 1-2 Хз, понекад чак и испод 1 кХз. Методе активне стабилизације могу постићи ширину линија испод 1 кХз. Ширина линија ласерских диода је типично у опсегу МХз, али се може смањити на кХз, на пример, код диодних ласера ​​са спољном шупљином, посебно оних са оптичком повратном спрегом и референтним шупљинама високе прецизности.

ИВ. Проблеми који произилазе из уских ширина линија

У неким случајевима, веома уска ширина снопа ласерског извора није неопходна:

1. Када је дужина кохерентности велика, ефекти кохеренције (због слабих паразитских рефлексија) могу изобличити облик зрака. 1. У дисплејима за ласерску пројекцију, ефекти мрља могу да ометају квалитет површине.

2. Када се светлост шири у активним или пасивним оптичким влакнима, уске ширине линија могу да изазову проблеме због стимулисаног Брилуеновог расејања. У таквим случајевима, потребно је повећати ширину линије, на пример, брзим смањењем прелазне фреквенције ласерске диоде или оптичког модулатора коришћењем модулације струје. Ширина линије се такође користи за описивање ширине оптичких прелаза (нпр. ласерских прелаза или неких карактеристика апсорпције). У прелазима стационарног појединачног атома или јона, ширина линије је повезана са животним временом горњег енергетског стања (тачније, животним веком између горњег и доњег енергетског стања), и назива се природна ширина линије. Кретање (погледајте Доплерово ширење) или интеракција атома или јона може да прошири ширину линије, као што је ширење притиска у гасовима или интеракције фонона у чврстим медијима. Ако су различити атоми или јони различито погођени, може доћи до неуједначеног ширења.