Hôm nay, chúng tôi sẽ giới thiệu loại laser “đơn sắc” cho loại laser có băng thông 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 kết hợp tốc độ cao và các lĩnh vực khác, đây là một “sứ mệnh” không thể thực hiện được. chỉ được hoàn thành bằng cách cải thiện công suất laser.
Laser băng thông hẹp là gì?
Thuật ngữ “độ rộng vạch” dùng để chỉ 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 đường truyền 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, biến động nhiệt độ và các yếu tố bên ngoài khác. Giá trị của độ rộng vạch càng nhỏ thì độ tinh khiết của phổ càng cao, nghĩa là độ đơn sắc của laser càng tốt. Laser có những 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 độ kết hợp tương ứng càng mạnh, được biểu hiện bằng độ dài kết hợp cực kỳ dài.
Hiện thực hóa và ứng dụng laser băng thông hẹp
Bị giới hạn bởi độ rộng đường truyền khuếch đại vốn có của chất hoạt động của laser, hầu như không thể nhận ra trực tiếp đầu ra của laser có độ rộng đường hẹp bằng cách dựa vào chính bộ dao động truyền thống. Để hiện thực hóa hoạt động của laser có băng thông hẹp, thường cần sử dụng các bộ lọc, cách tử và các thiết bị khác để hạn chế hoặc chọn mô đun dọc trong phổ khuếch đại, tăng chênh lệch khuếch đại ròng giữa các chế độ dọc, để có một vài hoặc thậm chí chỉ một dao động theo phương 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 các vạch quang phổ do sự thay đổi độ rung và nhiệt độ của môi trường bên ngoài; Đồng thời, nó cũng có thể được 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 băng thông hẹp.
Chúng ta hãy xem việc thực hiện hoạt động băng thông 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 mang lại lợi ích kinh tế.
Bộ cộng hưởng quang Fabry-Perot (FP) được sử dụng trong truyền thốnglaser bán dẫnthường dao động ở chế độ đa chiều dọc và độ rộng đường đầu ra tương đối rộng, do đó cần tăng phản hồi quang để thu được đầu ra có độ rộng đường hẹp.
Phản hồi phân tán (DFB) và Phản xạ Bragg phân tán (DBR) là hai loại laser bán dẫn phản hồi quang bên trong điển hình. Do bước cách tử nhỏ và độ chọn lọc bước sóng tốt nên dễ dàng đạt được đầu ra băng thông hẹp tần số đơn ổn định. Sự khác biệt chính giữa hai cấu trúc là vị trí của cách tử: cấu trúc DFB thường phân phối cấu trúc định kỳ của cách tử Bragg trong toàn bộ bộ cộng hưởng và bộ cộng hưởng của DBR thường bao gồm cấu trúc cách tử phản xạ và vùng khuếch đại được tích hợp vào bề mặt cuối. Ngoài ra, laser DFB sử dụng các cách tử nhúng có độ tương phản chiết suất thấp và độ phản xạ thấp. Laser DBR sử dụng cách tử 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 phạm vi điều chỉnh rộng hơn so với laser DBR.Laser DFB. Ngoài ra, công nghệ phản hồi quang học khoang bên ngoài, sử dụng các thành phần quang học bên ngoài để phản hồi ánh sáng đi ra của chip laser bán dẫn và chọn tần số, cũng có thể nhận ra hoạt động băng thông 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 cao, là 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 thông tin sợi quang hiện nay trên thị trường. Laser sợi quang tần số đơn với ưu điểm là độ rộng đường hẹp, độ ồn thấp và độ kết hợp tốt đã trở thành một trong những hướng phát triển quan trọng của nó.
Hoạt động ở chế độ dọc đơn là cốt lõi của laser sợi quang để đạt được đầu ra có chiều rộng đường hẹp, thông 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 nguyên lý hoạt động của laser bán dẫn DFB và DBR.
Như được hiển thị trong Hình 1, laser sợi quang DFB sẽ ghi cách tử Bragg phân tán vào sợi quang. Do bước sóng làm việc của bộ dao động bị ảnh hưởng bởi chu kỳ sợi quang nên chế độ dọc có thể được chọn thông qua phản hồi phân tán của cách tử. Bộ cộng hưởng laser của laser DBR thường được hình thành bởi một cặp cách tử Bragg sợi và chế độ dọc đơn chủ yếu được chọn bởi các cách tử Bragg sợi quang có dải hẹp và độ 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