Joonelaiuse määratlus laserites

Laseri, eriti ühesagedusliku laseri joonelaius viitab selle spektri laiusele (tavaliselt täislaius poole maksimumi juures, FWHM). Täpsemalt on see kiiratava elektrivälja võimsuse spektraaltiheduse laius, mida väljendatakse sageduse, lainearvu või lainepikkusena. Laseri joonelaius on tihedalt seotud ajalise koherentsusega ning seda iseloomustavad koherentsuse aeg ja koherentsuse pikkus. Kui faas läbib piiramatu nihke, suurendab faasimüra liinilaiust; nii on see vabaostsillaatorite puhul. (Väga väikese faasiintervalliga piiratud faasikõikumised tekitavad nulli joonelaiust ja mõningaid müra külgribasid.) Resonantsõõnsuse pikkuse nihked aitavad samuti kaasa liinilaiusele ja muudavad selle sõltuvaks mõõtmisajast. See näitab, et joonelaius üksi või isegi soovitav spektraalne kuju (joonkuju) ei suuda anda laserspektri kohta täielikku teavet.

II. Laserjoonelaiuse mõõtmine

Laseri joonelaiuse mõõtmiseks saab kasutada paljusid tehnikaid:

1. Kui joonelaius on suhteliselt suur (>10 GHz, kui mitu režiimi võnguvad mitmes laserresonantsõõnes), saab seda mõõta traditsioonilise spektromeetriga, mis kasutab difraktsioonvõre. Selle meetodi abil on aga raske saavutada kõrgsageduslikku eraldusvõimet.

2. Teine meetod on kasutada sageduse diskriminaatorit, et teisendada sageduse kõikumised intensiivsuse kõikumisteks. Diskriminaatoriks võib olla tasakaalustamata interferomeeter või ülitäpne võrdlusõõnsus. Sellel mõõtmismeetodil on ka piiratud eraldusvõime.

3. Ühe sagedusega laserid kasutavad tavaliselt iseheterodüüni meetodit, mis salvestab laseri väljundi ja oma sageduse vahelise löögi pärast nihet ja viivitust.

4. Mitmesajahertsiliste liinilaiuste puhul on traditsioonilised iseheterodüüntehnikad ebapraktilised, kuna nõuavad suurt viite pikkust. Selle pikkuse pikendamiseks saab kasutada tsüklilist kiudahelat ja sisseehitatud kiudvõimendit.

5. Väga kõrge eraldusvõime on võimalik saavutada kahe sõltumatu laseri löökide salvestamisega, kus võrdluslaseri müra on palju madalam kui testlaseril või nende jõudlusnäitajad on sarnased. Kasutada saab faasiluku ahelat või hetkelise sageduse erinevuse arvutamist matemaatiliste kirjete põhjal. See meetod on väga lihtne ja stabiilne, kuid nõuab teist laserit (töötab testlaseri sageduse lähedal). Kui mõõdetud joonelaius nõuab laia spektrivahemikku, on sageduskamm väga mugav.

Optilise sageduse mõõtmine nõuab sageli teatud sageduse (või aja) viidet mingil hetkel. Kitsa joonelaiusega laserite puhul on piisavalt täpse viite saamiseks vaja ainult ühte võrdluskiirt. Iseheterodüüntehnikad saavutavad sageduse referentsi, rakendades katseseadistusele piisavalt pikka viivitust, vältides ideaaljuhul ajalist koherentsust esialgse kiire ja selle enda viivitatud kiire vahel. Seetõttu kasutatakse tavaliselt pikki optilisi kiude. Stabiilsete kõikumiste ja akustiliste efektide tõttu tekitavad pikad kiud aga täiendavat faasimüra.

Kui esineb 1/f sagedusega müra, ei suuda ainult liinilaius faasiviga täielikult kirjeldada. Parem lähenemine on mõõta faasi või hetkeliste sageduste kõikumiste Fourier' spektrit ja seejärel iseloomustada seda võimsusspektri tiheduse abil; võib viidata müra tulemuslikkuse näitajatele. 1/f müra (või muu madala sagedusega müra spekter) võib põhjustada mõningaid mõõtmisprobleeme.

III. Laseri joonelaiuse minimeerimine

Laseri joonelaius on otseselt seotud laseri tüübiga. Seda saab minimeerida, optimeerides laseri disaini ja summutades välist müra. Esimene samm on kindlaks teha, kas domineeriv on kvantmüra või klassikaline müra, kuna see mõjutab järgnevaid mõõtmisi.

Kui õõnsusesisene võimsus on suur, resonantsõõnsuse kadu on väike ja resonantsõõnsuse edasi-tagasi aeg on pikk, on laseri kvantmüral (peamiselt spontaanse emissiooni müral) väike mõju. Klassikalist müra võivad põhjustada mehaanilised kõikumised, mida saab leevendada kompaktse lühikese laserresonaatori abil. Pikkuse kõikumine võib aga mõnikord veelgi lühemate resonaatorite puhul tugevamini mõjuda. Õige mehaaniline disain võib vähendada laserresonaatori ja väliskiirguse vahelist sidet ning minimeerida ka termilise triivi mõju. Termilised kõikumised esinevad ka võimenduskeskkonnas, mis on põhjustatud pumba võimsuse kõikumisest. Parema müra saavutamiseks on vaja teisi aktiivseid stabiliseerimisseadmeid, kuid esialgu eelistatakse praktilisi passiivseid meetodeid. Ühesageduslike tahkislaserite ja kiudlaserite joonelaiused jäävad vahemikku 1-2 Hz, mõnikord isegi alla 1 kHz. Aktiivsete stabiliseerimismeetoditega on võimalik saavutada joonelaiusi alla 1 kHz. Laserdioodide joonelaiused on tavaliselt MHz vahemikus, kuid neid saab vähendada näiteks kHz-ni välisõõnsusega dioodlaserites, eriti optilise tagasiside ja ülitäpse võrdlusõõnsusega laserite puhul.

IV. Kitsast joonelaiusest tulenevad probleemid

Mõnel juhul pole laserallikast lähtuv väga kitsas kiire laius vajalik:

1. Kui koherentsuse pikkus on pikk, võivad koherentsusefektid (nõrkade parasiitpeegelduste tõttu) moonutada kiire kuju. 1. Laserprojektsiooniekraanidel võivad täpiefektid pinna kvaliteeti häirida.

2. Kui valgus levib aktiivsetes või passiivsetes optilistes kiududes, võivad kitsad joonelaiused tekitada probleeme stimuleeritud Brillouini hajumise tõttu. Sellistel juhtudel on vaja liinilaiust suurendada, näiteks laserdioodi või optilise modulaatori siirdesageduse kiire ditherimise teel voolumodulatsiooni abil. Joonelaiust kasutatakse ka optiliste üleminekute laiuse kirjeldamiseks (nt lasersiirded või mõned neeldumiskarakteristikud). Statsionaarse üksiku aatomi või iooni üleminekutes on joonelaius seotud ülemise energia oleku elueaga (täpsemalt eluiga ülemise ja alumise energia oleku vahel) ja seda nimetatakse loomulikuks joonelaiuseks. Aatomite või ioonide liikumine (vt Doppleri laienemine) või interaktsioon võib joonelaiust laiendada, näiteks rõhu suurenemine gaasides või fononite vastastikmõju tahkes keskkonnas. Kui erinevad aatomid või ioonid on mõjutatud erinevalt, võib toimuda ebaühtlane laienemine.