Kitsa joonelaiusega laserid

Mõned laserrakendused nõuavad, et laseril oleks väga kitsas joonelaius, st kitsas spekter. Kitsa joonelaiusega laserid viitavad ühesageduslikele laseritele, see tähendab, et laseri väärtuses on resonantsõõnsuse režiim ja faasimüra on väga madal, seega on spektraalne puhtus väga kõrge. Tavaliselt on sellistel laseritel väga madala intensiivsusega müra.

Kõige olulisemad kitsa joonelaiusega laserite tüübid on järgmised:

1. Pooljuhtlasereid, hajutatud tagasiside laserdioode (DFB laserid) ja hajutatud Braggi peegelduslasereid (DBR laserid) kasutatakse kõige sagedamini 1500 või 1000 nm piirkonnas. Tüüpilised tööparameetrid on kümnete millivattide väljundvõimsus (mõnikord suurem kui 100 millivatti) ja mitme MHz liinilaius.

2. Kitsamaid joonelaiusi saab saavutada pooljuhtlaseritega, näiteks pikendades resonaatorit ühemoodilise kiuga, mis sisaldab kitsaribakiud Braggi võre, või kasutades välist õõnsusdioodlaserit. Seda meetodit kasutades on võimalik saavutada ülikitsas joonelaius mitu kHz või isegi alla 1kHz.

3. Väikesed hajutatud tagasiside kiudlaserid (spetsiaalsetest fiiber-Braggi võretest valmistatud resonaatorid) suudavad genereerida kümneid millivatte ulatuva väljundvõimsuse joonelaiusega kHz vahemikus.

4. Mittetasapinnaliste rõngasresonaatoritega dioodpumbaga pooljuhtkehalaserid võivad saada ka mitme kHz joonelaiuse, samas kui väljundvõimsus on suhteliselt kõrge, suurusjärgus 1W. Kuigi tüüpiline lainepikkus on 1064 nm, on võimalikud ka muud lainepikkuse piirkonnad, näiteks 1300 või 1500 nm.

Peamised laserite kitsast joonelaiust mõjutavad tegurid

Väga kitsa kiirgusribaga (joonelaiusega) laseri saavutamiseks tuleb laseri projekteerimisel arvestada järgmiste teguritega:

Esiteks tuleb saavutada ühe sagedusega töö. Seda on lihtne saavutada, kasutades väikese võimendusriba ja lühikese laserõõnsusega võimenduskeskkonda (mille tulemuseks on suur vaba spektrivahemik). Eesmärk peaks olema pikaajaline stabiilne ühe sagedusega töö ilma režiimide vaheldumisi.

Teiseks tuleb välismüra mõju minimeerida. See nõuab stabiilset resonaatori seadistust (ühevärviline) või spetsiaalset kaitset mehaanilise vibratsiooni eest. Elektriliselt pumbatavad laserid peavad kasutama madala müratasemega voolu- või pingeallikaid, samas kui optiliselt pumbatavatel laseritel peab pumba valgusallikana olema madala intensiivsusega müra. Lisaks tuleb vältida kõiki tagasiside valguslaineid, näiteks Faraday isolaatoreid kasutades. Teoreetiliselt mõjutab välismüra vähem kui sisemine müra, näiteks spontaanne emissioon võimenduskeskkonnas. Seda on lihtne saavutada, kui müra sagedus on kõrge, kuid kui müra sagedus on madal, on mõju joonelaiusele kõige olulisem.

Kolmandaks tuleb laseri disaini optimeerida, et minimeerida lasermüra, eriti faasimüra. Eelistatakse suurt siseõõnest võimsust ja pikki resonaatoreid, kuigi stabiilset ühesageduslikku tööd on sel juhul keerulisem saavutada.

Süsteemi optimeerimine nõuab erinevate müraallikate olulisuse mõistmist, kuna olenevalt domineerivast müraallikast on vaja erinevaid mõõtmisi. Näiteks Schawlow-Townesi võrrandi järgi minimeeritud joonelaius ei pruugi tegelikku joonelaiust minimeerida, kui tegeliku joonelaiuse määrab mehaaniline müra.

Müra omadused ja jõudluse spetsifikatsioonid.

Nii kitsa joonelaiusega laserite müraomadused kui ka jõudlusnäitajad on triviaalsed probleemid. Erinevaid mõõtmistehnikaid käsitletakse kirjes Linewidth, eriti nõudlikud on mõne kHz või väiksemad joonelaiused. Lisaks ei saa ainult joonelaiuse väärtust arvesse võttes kõiki müra omadusi anda; on vaja anda täielik faasimüra spekter, samuti suhtelise intensiivsuse müra teave. Realaiuse väärtus tuleb kombineerida vähemalt mõõtmisaja või muu teabega, mis võtab arvesse pikaajalist sageduse triivi.

Loomulikult on erinevatel rakendustel erinevad nõuded ja seda, millist mürataseme indeksit tuleb erinevates tegelikes olukordades arvestada.

Kitsa joonelaiusega laserite rakendused

1. Väga oluline rakendus on sensorite valdkonnas, näiteks rõhu või temperatuuri fiiberoptilised andurid, erinevad interferomeetrilised andurid, gaasi tuvastamiseks ja jälgimiseks erineva neeldumisvõimega LIDAR kasutamine ning tuule kiiruse mõõtmiseks Doppler LIDAR. Mõned fiiberoptilised andurid nõuavad mitme kHz laseri laiust, samas kui LIDAT-mõõtmiste puhul piisab 100 kHz joonelaiusest.

2. Optiliste sageduste mõõtmiseks on vaja väga kitsaid allika joonelaiusi, mille saavutamiseks on vaja stabiliseerimistehnikaid.

3. Kiudoptilistel sidesüsteemidel on liini laiusele suhteliselt leebed nõuded ja neid kasutatakse peamiselt saatjatena või tuvastamiseks või mõõtmiseks.