Hôm nay, chúng tôi sẽ giới thiệu một loại laser “đơn sắc” với laser có độ rộng vạch cực hẹp. Sự xuất hiện của nó đã lấp đầy khoảng trống trong nhiều lĩnh vực ứng dụng của laser, và trong những năm gần đây đã được sử dụng rộng rãi trong phát hiện sóng hấp dẫn, liDAR, cảm biến phân tán, truyền thông quang học mạch lạc tốc độ cao và các lĩnh vực khác, đây là một “sứ mệnh” không thể hoàn thành chỉ bằng cách cải thiện công suất laser.
Laser có độ rộng vạch hẹp là gì?
Thuật ngữ “độ rộng vạch” đề cập đến độ rộng vạch phổ của laser trong miền tần số, thường được định lượng theo độ rộng toàn phần nửa đỉnh của phổ (FWHM). Độ rộng vạch chủ yếu bị ảnh hưởng bởi bức xạ tự phát của các nguyên tử hoặc ion bị kích thích, nhiễu pha, rung động cơ học của bộ cộng hưởng, độ dao động nhiệt độ và các yếu tố bên ngoài khác. Giá trị độ rộng vạch càng nhỏ thì độ tinh khiết của phổ càng cao, nghĩa là độ đơn sắc của laser càng tốt. Laser có các đặc điểm như vậy thường có rất ít nhiễu pha hoặc tần số và rất ít nhiễu cường độ tương đối. Đồng thời, giá trị độ rộng tuyến tính của laser càng nhỏ thì tính kết hợp tương ứng càng mạnh, biểu hiện dưới dạng độ dài kết hợp cực kỳ dài.
Thực hiện và ứng dụng laser có độ rộng vạch hẹp
Bị giới hạn bởi độ rộng đường tăng vốn có của chất làm việc của laser, hầu như không thể trực tiếp nhận ra đầu ra của laser có độ rộng đường hẹp bằng cách dựa vào chính bộ dao động truyền thống. Để nhận ra hoạt động của laser có độ rộng đường hẹp, thường cần sử dụng bộ lọc, lưới và các thiết bị khác để giới hạn hoặc chọn mô đun dọc trong phổ độ lợi, tăng chênh lệch độ lợi ròng giữa các chế độ dọc, để có một vài hoặc thậm chí chỉ một dao động chế độ dọc trong bộ cộng hưởng laser. Trong quá trình này, thường cần phải kiểm soát ảnh hưởng của nhiễu đến đầu ra laser và giảm thiểu sự mở rộng của các vạch quang phổ do rung động và thay đổi nhiệt độ của môi trường bên ngoài gây ra; Đồng thời, cũng có thể kết hợp với phân tích mật độ phổ nhiễu pha hoặc tần số để hiểu nguồn nhiễu và tối ưu hóa thiết kế của laser, để đạt được đầu ra ổn định của laser có độ rộng đường hẹp.
Chúng ta hãy cùng xem xét việc thực hiện hoạt động có độ rộng vạch hẹp của một số loại laser khác nhau.
Laser bán dẫn có ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, hiệu suất cao, tuổi thọ cao và lợi ích kinh tế.
Bộ cộng hưởng quang học Fabry-Perot (FP) được sử dụng trong truyền thốnglaser bán dẫnthường dao động theo chế độ đa chiều dọc và độ rộng đường truyền đầu ra tương đối rộng, do đó cần tăng phản hồi quang học để thu được đầu ra có độ rộng đường truyền hẹp.
Phản hồi phân tán (DFB) và phản xạ Bragg phân tán (DBR) là hai loại laser bán dẫn phản hồi quang học bên trong điển hình. Do bước lưới nhỏ và khả năng chọn lọc bước sóng tốt nên dễ dàng đạt được đầu ra có độ rộng vạch hẹp tần số đơn ổn định. Sự khác biệt chính giữa hai cấu trúc này là vị trí của lưới: cấu trúc DFB thường phân phối cấu trúc tuần hoàn của lưới Bragg trên toàn bộ bộ cộng hưởng và bộ cộng hưởng của DBR thường bao gồm cấu trúc lưới phản xạ và vùng khuếch đại tích hợp vào bề mặt cuối. Ngoài ra, laser DFB sử dụng lưới nhúng có độ tương phản chiết suất thấp và độ phản xạ thấp. Laser DBR sử dụng lưới bề mặt có độ tương phản chiết suất cao và độ phản xạ cao. Cả hai cấu trúc đều có dải phổ tự do lớn và có thể thực hiện điều chỉnh bước sóng mà không cần nhảy chế độ trong phạm vi vài nanomet, trong đó laser DBR có dải điều chỉnh rộng hơnTia laser DFBNgoài ra, công nghệ phản hồi quang học khoang ngoài, sử dụng các thành phần quang học bên ngoài để phản hồi ánh sáng phát ra từ chip laser bán dẫn và chọn tần số, cũng có thể thực hiện hoạt động có độ rộng vạch hẹp của laser bán dẫn.
(2) Laser sợi quang
Laser sợi quang có hiệu suất chuyển đổi bơm cao, chất lượng chùm tia tốt và hiệu suất ghép nối cao, đây là những chủ đề nghiên cứu nóng trong lĩnh vực laser. Trong bối cảnh thời đại thông tin, laser sợi quang có khả năng tương thích tốt với các hệ thống truyền thông sợi quang hiện tại trên thị trường. Laser sợi quang tần số đơn với ưu điểm là độ rộng đường truyền hẹp, tiếng ồn thấp và độ kết hợp tốt đã trở thành một trong những hướng phát triển quan trọng của nó.
Hoạt động chế độ dọc đơn là cốt lõi của laser sợi quang để đạt được đầu ra có độ rộng đường hẹp, thường theo cấu trúc của bộ cộng hưởng của laser sợi quang tần số đơn có thể được chia thành loại DFB, loại DBR và loại vòng. Trong số đó, nguyên lý hoạt động của laser sợi quang tần số đơn DFB và DBR tương tự như laser bán dẫn DFB và DBR.
Như thể hiện trong Hình 1, laser sợi quang DFB là để ghi mạng Bragg phân tán vào sợi. Vì bước sóng làm việc của bộ dao động bị ảnh hưởng bởi chu kỳ sợi, nên chế độ dọc có thể được chọn thông qua phản hồi phân tán của mạng. Bộ cộng hưởng laser của laser DBR thường được tạo thành bởi một cặp mạng Bragg sợi quang và chế độ dọc đơn chủ yếu được chọn bởi mạng Bragg sợi quang băng hẹp và phản xạ thấp. Tuy nhiên, do bộ cộng hưởng dài, cấu trúc phức tạp và thiếu cơ chế phân biệt tần số hiệu quả, khoang hình vòng dễ bị nhảy chế độ và khó hoạt động ổn định ở chế độ dọc không đổi trong thời gian dài.
Hình 1, Hai cấu trúc tuyến tính điển hình của tần số đơnlaser sợi quang
Thời gian đăng: 27-11-2023