今日、「単色」レーザーを極端な狭い線幅レーザーに導入します。その出現は、レーザーの多くのアプリケーションフィールドのギャップを埋め、近年、重力波検出、LIDAR、分散センシング、高速コヒーレント光学通信、およびその他のフィールドで広く使用されています。
狭い線幅レーザーとは何ですか？
「ライン幅」という用語は、周波数ドメインのレーザーのスペクトル線幅を指します。これは、通常、スペクトルのハーフピーク全幅（FWHM）の観点から定量化されます。線幅は、主に励起された原子またはイオンの自然放射、位相ノイズ、共振器の機械的振動、温度ジッター、およびその他の外部因子の影響を受けます。ライン幅の値が小さいほど、スペクトルの純度が高く、つまりレーザーの単色性が高くなります。このような特性を持つレーザーは、通常、相または周波数ノイズが非常に少なく、相対強度ノイズはほとんどありません。同時に、レーザーの線形幅の値が小さいほど、非常に長いコヒーレンス長として現れる対応するコヒーレンスが強くなります。
狭い線幅レーザーの実現と適用
レーザーの作業物質の固有のゲインライン幅によって制限されているため、従来の発振器自体に依存することにより、狭い線幅レーザーの出力を直接実現することはほとんど不可能です。狭い線幅レーザーの動作を実現するには、通常、フィルター、グレーティング、その他のデバイスを使用してゲインスペクトルの縦方向弾性率を制限または選択する必要があります。そのため、レーザー共振には縦方向のモードがいくつかまたは1つしかないようになります。このプロセスでは、レーザー出力に対するノイズの影響を制御し、外部環境の振動と温度の変化によって引き起こされるスペクトル線の拡大を最小限に抑えることがしばしば必要です。同時に、狭い線幅レーザーの安定した出力を達成するために、ノイズの原因を理解し、レーザーの設計を最適化するために、位相または周波数ノイズスペクトル密度の分析と組み合わせることもできます。
いくつかの異なるカテゴリのレーザーの狭い線幅動作の実現を見てみましょう。
（1）半導体レーザー
半導体レーザーには、コンパクトサイズ、高効率、長寿命、経済的利益の利点があります。
伝統で使用されるFabry-Perot（FP）光共振器半導体レーザー一般に、多材料モードで振動し、出力ライン幅は比較的広いため、光学フィードバックを増やして狭い線幅の出力を取得する必要があります。
分散フィードバック（DFB）と分散ブラッグ反射（DBR）は、2つの典型的な内部光学フィードバック半導体レーザーです。小格子ピッチと良好な波長選択性により、安定した単一周波数狭い線幅の出力を簡単に達成することができます。 2つの構造の主な違いは、格子の位置です。DFB構造は通常、共振器全体にブラッグ格子の周期構造を分布し、DBRの共振器は通常、反射格子構造と端面に統合されたゲイン領域で構成されます。さらに、DFBレーザーは、屈折率のコントラストと反射率が低い埋め込まれた格子を使用します。 DBRレーザーは、高い屈折率のコントラストと高い反射率を持つ表面格子を使用します。どちらの構造にも大きなフリースペクトル範囲があり、モードなしで数ナノメートルの範囲でモードジャンプなしで波長チューニングを実行できます。DFBレーザー。さらに、外部光学要素を使用して半導体レーザーチップの発信ライトにフィードバックし、周波数を選択する外部空洞光学フィードバックテクノロジーは、半導体レーザーの狭い線幅動作も実現することができます。
（2）ファイバーレーザー
ファイバーレーザーは、ポンプ変換効率が高く、ビーム品質が良好で、レーザーフィールドのホットな研究トピックであるカップリング効率が高くなっています。情報の時代の文脈では、繊維レーザーは、市場の現在の光ファイバー通信システムと良好な互換性を持っています。狭い線の幅、低ノイズ、良好な一貫性の利点を持つ単一周波繊維レーザーは、その開発の重要な方向の1つになりました。
単一周波数繊維レーザーの共振器の構造に従って、狭い線幅出力を達成するためのファイバーレーザーのコアは、DFBタイプ、DBRタイプ、リングタイプに分割できます。その中で、DFBおよびDBR単一周波繊維レーザーの動作原理は、DFBおよびDBR半導体レーザーの動作と類似しています。
図1に示すように、DFBファイバーレーザーは、分散型ブラッググレーティングをファイバーに書き込むことです。発振器の動作波長は繊維期間の影響を受けるため、縦方向のモードは、グレーティングの分散フィードバックを通じて選択できます。 DBRレーザーのレーザー共振器は通常、一対のファイバーブラッグ格子によって形成され、単一の縦方向モードは主に狭いバンドと低反射繊維ブラッグ格子によって選択されます。ただし、その長い共振器、複雑な構造、効果的な周波数識別メカニズムの欠如のため、リング型の空洞はモードホッピングが発生しやすく、一定の縦方向モードで安定して作業することは困難です。
図1、単一周波数の2つの典型的な線形構造ファイバーレーザー
投稿時間：11月27日 - 2023年